单框架控制力矩陀螺的奇异分析及操纵律设计

通过对单框架控制力矩陀螺群（SGCMGs）的奇异问题的分析,设计了一种新的伪逆解与零运动向量相结合的操纵律来回避SGCMGs的内部奇异点。首先通过绘制金字塔构型SGCMGs奇异角动量曲面及典型角动量切面对应的奇异度量极值曲面,研究了其奇异的几何特性。然后以缩小期望力矩与各SGCMG角动量的夹角为目的,给出了一种新的零运动向量构造方法用于操纵律的设计。该方法在全局范围内考虑,并未参考当前奇异度量值,故能有效地避免奇异度量局部极值所对应的内部显奇异点。最后将其与现有的几种操纵律进行了数学仿真对比,验证了其有效性及优越性。     

五棱锥SGCMGs失效时奇异构型几何分析及操纵律设计

单框架控制力矩陀螺群(SGCMGs)的奇异构型几何分析及相应的操纵律设计是其在使用中遇到的主要问题。针对五棱锥SGCMGs构型及其单只失效后的奇异情况进行几何分析,考虑五棱锥构型单只SGCMG失效后显奇异点深入角动量体内部这一特性,设计了一种既能充分利用零空间运动,又能实现显奇异点规避的SGCMGs操纵律。仿真分析结果表明:设计改进后的操纵律能在有效解决五棱锥SGCMGs构型中单只陀螺失效后带来内部复杂奇异问题的同时,实现控制精度的大幅提升。     

双框架控制力矩陀螺奇异分析及可视化

研究双框架控制力矩陀螺(DGCMG)的几何奇异问题.利用空间几何方法建立三正交构型DGCMG的几何模型及力矩输出的微分动力学模型,在此基础上严格推导系统奇异的几何判别条件,获得角动量空间中的奇点分布并仿真给出角动量奇点分布的可视化结果.使用ε-δ语言精确定义显、隐奇点及空转.根据奇点处模型泰勒展开推出工程町用的空转判别条件.利用数学中连续性概念,严格证明内奇点必是显奇点.     

采用平行构型变速控制力矩陀螺群的航天器姿态控制

研究了平行构型变速控制力矩陀螺群的控制律及其在航天器姿态控制中的应用。首先建立了以变速控制力矩陀螺为执行机构的航天器姿态动力学模型，并给出了全局渐近稳定的姿态反馈控制律。将每一对框架平行的陀螺作为独立的单元控制，引入了与控制力矩陀螺的框架运动相关的动坐标系，在此基础上给出了控制力矩陀螺的一种控制律。此控制律使陀螺群在奇异状态下仍具有可控性，并且力矩误差在动坐标系的某一方向始终为零，从而利用共轴的构型特点和陀螺转子的可变速性补偿控制力矩陀螺的力矩误差，使变速控制力矩陀螺群的输出力矩与期望的力矩相等。最后以双平行构型为例，对航天器的姿态稳定控制进行了数值仿真，并给出了一种控制力矩的分配方案。仿真结果证明了控制律算法的有效性。     

使用混合执行机构的快速机动卫星力矩分配算法

针对单框架控制力矩陀螺群（SGCMGs）存在奇异和单框架控制力矩陀螺（SGCMG）存在框架转速死区的问题,研究了SGCMG与飞轮联合作为执行机构的控制力矩分配算法,以SGCMG功耗、飞轮功耗和飞轮角动量的二次型加权矩阵求和为性能指标,提出了一种形式简洁的混合执行机构力矩分配算法,通过分析,证明该分配算法能够有效的避免SGCMGs的奇异;设计了一种SGCMG功耗加权矩阵的调节策略,解决了SGCMG陷入转速死区的问题,设计了一种飞轮角动量加权矩阵的调节策略,通过对加权矩阵的实时调节实现了对飞轮角动量的管理,解决了飞轮转速的饱和与过零问题。数学仿真结果验证了该力矩分配算法的有效性。     

采用变速控制力矩陀螺的一种姿态/能量一体化控制研究

本文研究采用变速控制力矩陀螺（VSCMG）的航天器姿态／能量一体化控制技术。首先建立了以变速控制力矩陀螺为执行机构的航天器姿态动力学模型，并给出了全局稳定的姿态反馈控制律。以控制力矩陀螺群的构型奇异量度为依据，分别考虑了VSCMG的控制力矩陀螺（CMG）工作模式和反作用飞轮（RW）工作模式。在陀螺群接近奇异时启用转子的反作用飞轮工作模式来补偿控制力矩陀螺采用鲁棒伪逆操纵律时所引起的力矩误差；在陀螺群远离奇异状态时，用控制力矩陀螺来补偿转子储能带来的干扰力矩。在姿态控制的同时利用转子的变速特性，完成按照给定的功率存储／释放能量，并在陀螺群远离奇异状态时对储能过程中转子的转速进行调节，以保持良好地动量包络外形。最后以某航天器的姿态控制为例，给出了数值仿真结果。     

航天器快速姿态机动的力矩陀螺控制

考虑一类要求快速、连续的姿态机动控制任务，设计了大角度姿态机动的力矩陀螺操纵律。针对陀螺群构型非奇异情况，考虑陀螺框架角速度上限要求，设计了基于∞范数的力矩陀螺操纵律。为了实现快速的姿态机动衔接，提出了基于参考构型的方法，并通过引入零运动实现。设计了力矩陀螺操纵律的求解算法，给出了参考构型法的解析解。仿真结果表明，该操纵律可适用于快速、连续的姿态机动控制。     

SGCMG系统的力矩指令调节及动态分配操纵方法

针对邻近奇异框架构型时解算低速框架角速度指令过大乃至饱和问题，开展了指令幅值抑制的控制力矩陀螺操纵方法研究。首先提出了力矩分配动态调整策略，设计以控制力矩陀螺历史指令信息为输入的权重系数自主调整律；然后重新定义了考虑权重分配的系统奇异度量，给出了一种综合力矩动态分配策略、零运动奇异规避与指令力矩随奇异度量相应调节手段的控制力矩陀螺操纵律，以抑制控制力矩陀螺低速框架指令幅值过大并提升系统奇异规避能力。最后所提出方法的有效性通过了姿态快速机动数学仿真校验。     

使用单框架控制力矩陀螺的空间站姿态控制系统建模与仿真

研究使用单框架控制力矩陀螺群(SGCMGs)的空间站的姿态控制。完成空间站在轨三轴稳定飞行模式下的动力学和执行机构的建模。基于最小二乘意义下的伪逆原理设计了SGCMGs的控制律。对于框架构形的隐奇异，采用零运动躲避的算法。同时建立了框架电机的动力学、干扰和控制器的仿真模型。提出了适合工程应用的SGCMGs构形显奇异和饱和奇异的工程性的判断条件及卸载方法。为了探讨伺服机构对系统响应特性的影响，进行了分系统级的仿真。仿真模型中包括了空间环境力矩、敏感器及姿态确定模型。仿真中使用了五棱锥构形的SGCMGs，这种构形具有好的冗余度和大的角动量包络。仿真结果验证了五棱锥构形SGCMGs对大型航天器的三轴姿态控制的可行性及有效性。     

欠驱动航天器飞轮控制方法

针对应用任意剪刀对构型飞轮群的欠驱动刚体航天器姿态控制问题,将飞轮群与航天器看作整体系统进行建模,从整体系统可控性角度分析采用传统模型进行控制系统设计存在的局限性。随后通过对飞轮群角动量集合描述,得出航天器姿态可机动集合。由于飞轮群构型的任意性及航天器的欠驱动特性,导致具有初始角动量的整体系统难以针对系统状态方程采用Lyapunov函数方法进行状态反馈控制器设计,同时为了保证存在外扰动力矩的航天器姿态机动精度,采用非线性预测控制方法实现系统的反馈控制。所提控制算法实现了任意飞轮群剪刀对构型、飞轮群角动量非饱和条件下,任意系统初始角动量欠驱动航天器在姿态可机动集合中的机动控制。仿真结果表明,系统具有良好的控制性能及精度。     

一种改进的SGCMGs奇异鲁棒伪逆操纵律算法

以单框架控制力矩陀螺（SGCMG）为卫星动量交换机构,基于建立的姿态控制系统与SGCMG系统的动力学模型,设计零动量卫星的PD（比例微分）解耦姿态控制律。为逃避奇异,提出了一种改进的单框架控制力矩陀螺群（SGCMGs）奇异鲁棒伪逆操纵律算法。某航天器姿态控制仿真结果表明：改进算法可避免奇异,算法有效性得以验证。     

Pointing control of spacecraft using two SGCMGs via LPV control theory

In this paper, we consider a pointing control of a spacecraft using two single-gimbal control moment gyros (SGCMGs). Our pointing control problem is to make the line-of-sight of a camera or an antenna that is fixed on a body axis aim along a desired direction. To solve this problem, we first state the control objective for the pointing control through the angular momentum conservation principle. Then, we develop a gain-scheduled (GS) controller via linear parameter-varying (LPV) control theory. Finally, the feasibility of the proposed control method is shown by a numerical simulation.     

Study of singular surfaces of systems of unsupported gyrodynes by the parameter continuation method

A system of two-degree-of-freedom force gyroscopes (gyrodynes) is considered to be used for spacecraft attitude control. Possible values of its total angular momentum form some finite region P in the frame of reference rigidly connected with the spacecraft. Near the boundary of this region and singular surfaces located inside it the control of the angular momentum is complicated or impossible. The program angular momentum of the gyrodynes, realizing the law of variation of the spacecraft orientation, should lie inside P and outside some singular surfaces, and due to this fact the boundary and internal singular surfaces should be studied. This work is dedicated to the numerical construction of region P and its internal singular surfaces by the method of parameter continuation. Using the results by E.N. Tokar’ we formalize sufficient conditions which in some cases allow one to determine the type of the singular surface. As an example, a system of six gyrodynes is considered, for which the regions of variations of the intrinsic angular momentum and singular surfaces are constructed. The possibilities of the system are demonstrated for the case when one gyrodyne fails.     

挠性卫星姿态的角动量反馈控制

利用动量交换装置的角动量测量和反馈来实现带有挠性附件卫星姿态的稳定控制是一个重要问题。为此，本文给出了角动量反馈控制器，指出了控制器参数的选取方法，分析了姿态控制误差与角动量测量误差的关系。结果表明，角动量反馈控制方法不仅能够保证姿态控制的稳定性，而且能够有效提高姿态控制的稳定性，并且对不确定挠性模态参数具有很强的鲁棒性。     

空间机器人抓取未知目标的质量特性参数辨识

根据动量守恒定理,研究了单臂自由飘浮空间机器人抓取未知目标的质量特性参数辨识问题。已有文献中基于动量守恒原理进行的参数辨识只适用于系统线动量和角动量为零的情况,当两者不为零时无法得到正确的辨识结果。为解决此问题,本文首先在惯性系而非本体系下推导得到了机械臂抓取未知目标后的系统线动量和角动量,保证了其各分量的守恒特性。然后基于此特性,通过在轨测量两个时刻机器人本体的线速度、角速度以及机械臂各关节的角速度和转角信息,建立了含有未知目标质量特性参数的动量增量方程。最后根据三组测量信息,从联立的动量增量方程组中求解得到未知目标的质量特性参数。数值仿真表明,此方法在系统线动量和角动量为零和不为零两种情况下都能实现高精度的参数辨识,同时还避免了方程求解的奇异问题。     

细胞化卫星分布式角动量平衡力矩分配算法

针对细胞化卫星姿态控制系统中细胞模块数量多、控制器细胞通信压力大的问题,提出了一种分布式控制力矩分配算法。该力矩分配算法先将力矩分配问题转化为带耦合等式约束的凸优化问题,然后通过分布式的方式求解该优化问题。在力矩分配过程中,控制器细胞只需要提供期望力矩,因此降低了通信压力。同时,该算法在优化目标函数中引入角动量能力因子,使飞轮细胞可以根据自身的角动量水平决定其力矩输出。数值仿真结果表明,该分布式分配算法可以保证分配后的力矩与期望力矩相等,且实现了平衡飞轮系统角动量的目的,进而可以通过卸载部分细胞的角动量来卸载整个飞轮系统的角动量。