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。     

具有SGCMG系统的挠性卫星姿态机动控制及验证

针对挠性卫星在轨姿态快速机动的需求，开展了星体姿态机动控制方法及控制实现研究。基于建立的挠性卫星姿态跟踪控制误差方程，给出了PD控制与补偿控制相结合的姿态跟踪控制器形式；考虑系统实现的时延影响，利用经典频率分析方法选择了兼顾系统稳定性及宽带控制的控制参数；在控制具体实现中，采用一种新型的基于力矩矢量调节奇异规避操纵策略，克服常规鲁棒奇异规避操纵存在的框架“锁死”现象，在解决奇异规避的同时避免激发挠性振动。所提出方法的有效性通过了在轨验证。     

Calculation and fitting of boundaries between elliptic and hyperbolic singularities of pyramid-type control moment gyros

There exists a singularity problem in control moment gyros (CMGs). CMG singularities are classified into two types: hyperbolic and elliptic. Several gimbal steering control methods have been presented to avoid CMG singularities. Hyperbolic singularities can be avoided by null motion, but elliptic singularities cannot. The existing steering control methods are rarely designed by explicitly taking the singularity type into account. In order to effectively avoid elliptic singularities by perturbing gimbal angles, it is desirable to calculate and record the boundaries between elliptic and hyperbolic singularities in advance so that the determined boundaries can be utilized for developing model predictive steering control. To this end, the boundaries between elliptic and hyperbolic singularities of CMGs are calculated and represented in the form of fitted curves. Several numerical examples are presented to determine the perturbation gimbal angles for avoiding elliptic singularities without using singular value decomposition.     

An improved installation for control moment gyros and its applications on reconfiguration and singular escape

A cluster of control moment gyros (CMGs) is widely used as the actuator of attitude control for modern satellite. However, to use CMGs will induce some accessional problems, like the singularity and the failure of them. In this paper, a rotator for the support bracket of each control moment gyro (CMG) is adopted and its application on reconfiguration and singular escape is discussed. The first step puts forward a novel reconfiguration scheme for the CMGs and applied on a satellite, which can adjust the installation angles of the remaining CMGs and make the CMGs remain axial symmetry. Then the characteristic of the output torque is studied in the process of reconfiguration of the CMGs. Based on this characteristic, a special steering law of the CMGs is designed to counteract the disturbance from the reconfiguration. The feasibility of singularity avoidance via the reconfiguration is also discussed by calculating the derivative of the singularity measurement to the installation angle. A singularity avoidance steering law is proposed based on the above calculation.     

“和平号”空间站SGCMG系统及其操纵

综述了“和平号”空间站ＳＧＣＭＧ系统的组成和操纵，并给出了梯度型操纵律回避奇异的一般化解释。同时指出，奇异问题和失效操纵问题是ＳＧＣＭＧ系统的两个重要问题，也是今后ＳＧＣＭＧ系统研究的主要课题。     

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。     

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。     

一种改进阻尼倒数的空间机器人避奇异算法

针对自由漂浮空间机器人运动规划过程中存在的动力学奇异问题,提出一种动力学奇异转化加改进阻尼倒数的奇异回避算法。首先,通过运动学分解,间接求解机器人逆运动学方程,避免直接求解逆广义雅可比矩阵,以实现奇异参数的分离;然后,采用改进的高斯分布阻尼因子的阻尼倒数代替奇异参数的普通倒数,回避运动学奇异的影响。与现有阻尼倒数方法相比,提高了算法在奇异点附近的连续性,进一步减小了算法带来的跟踪误差。在PUMA类型空间机器人模型上进行仿真试验,校验算法的有效性。     

一种SGCMG系统奇异逃离方法

单框架控制力矩陀螺 (SGCMG)系统进入奇异后无法提供准确的三轴指令力矩,通过奇异机理分析,设计了一种奇异逃离方案。首先构造新的动态坐标系,在系统进入奇异后,将控制坐标系切换到新的坐标系下,在新的坐标系上放弃一个维度的控制,将系统考虑为平面内的SGCMG冗余控制系统,然后在平面内采用二维零运动使得系统快速逃离奇异状态,当SGCMG系统逃离奇异状态后,再重新接入三维度的控制。仿真结果表明,提出的方法具有很好的奇异逃避效果。     

Preliminary assessment of a small robotic rover for Titan exploration

Titan is a very interesting target in deep space exploration. With its solid surface on which a rover can easily travel and its methane lakes which can be sailed it is the ideal target for a deep space mission which includes a mobile platform. In the present paper the general layout of a rover for a mission to Titan is studied, dealing with the mobility, power generation and trajectory control issues. A four-wheels configuration with slip steering was chosen; to compare this solution with the more conventional strategy based on steering wheels, simulations were performed on some trajectories computed through the well known ‘potential’ method, using both slip steering and conventional steering control, for different vehicle speeds. The comparison between the simulated trajectories allows to state the adequateness of the proposed approach.The results here obtained apply not only to a future mission to Titan, but also to other missions designed for the exploration of the satellites of the outer planets having a size comparable with that of Titan and the largest Kuiper belt objects like Pluto and 136472 Makemake.     

单框架控制力矩陀螺系统操纵律研综述

综述了单框架控制力矩陀螺 (SGCMG)系统操纵律研究概况 ,并对现存操纵律的性能进行了评价。通过分析可以知道 ,现存的SGCMG操纵律或在奇异回避性能方面较差 ,或由于计算量较大而使得实时性较差等等 ,从而使其在航天器姿态控制中的应用受到了极大的阻碍。要提高SGCMG系统的操纵性能 ,可在以下三个方面作进一步研究 :零运动的选择方法、操纵律的闭环实现、框架伺服特性的考虑等。     

有限推力下时间最优轨道转移

研究了一种有限推力作用下的时间最优轨道转移计算方法。以非奇异根素形式的高斯行星摄动方程为基础,由庞德里亚金极小值原理导出正则方程组,通过将最优控制问题转化为协状态初值为待优化参数的参数优化问题,并通过非线性规划求解得到的参数优化问题,从而避开求解两点边值问题的困难。文章最后给出2个算例,分别计算了零倾角零偏心率最优轨道转移和大倾角改变最优轨道转移。计算过程及结果表明本文所用方法对协状态初值猜测敏感性小,收敛迅速;零倾角零偏心率情况下无奇异;所得控制轨线光滑。     

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。     

应用变速控制力矩陀螺的航天器姿态机动最优路径规划

针对应用变速控制力矩陀螺VSCMG为姿态控制执行机构的微小卫星,提出了一种姿态机动最优路径规划方法。从冗余金字塔构型VSCMGs系统的姿态机动任务和考虑VSCMGs系统故障失效的姿态机动任务两类问题出发,综合考虑VSCMG在实际工程应用中的各种约束条件(框架角约束、框架角速度约束、转子转速约束和奇异度量约束等)以及充分发挥VSCMG的力矩输出优势,采用Gauss伪谱法规划了相应性能指标最优的姿态机动最优路径。仿真结果表明设计的应用VSCMG的航天器姿态机动最优路径规划算法能够满足提出的约束条件和最优路径规划策略,可以顺利完成航天器姿态机动任务。而且相比于传统的VSCMGs系统操纵律,设计的算法具有更高的实用性和有效性。     

采用VSCMGs的航天器IPACS设计的一种投影矩阵方法

研究以变速控制力矩陀螺群（VSCMGs）为执行机构的能量／姿态一体化控制系统（IPACS）中的操纵律设计问题。建立了带VSCMGs的刚性航天器的动力学方程，用Lyapunov方法设计了渐近稳定的姿态控制律；在对VSCMGs的动力学进行详细分析的基础上，用投影矩阵法设计了一种操纵律，该算法将姿态控制指令力矩分解成两个力矩分量之和，其中一个由陀螺模式提供，另一个由飞轮模式提供，从而使VSCMGs处于构型奇异时陀螺模式也处于工作状态，降低了飞轮模式的负荷；文中证明了IPACS所需的变速控制力矩陀螺（VSCMG）个数最少为3，并分析证明了所设计的算法可以有效地解决姿控／储能一体化设计中可能出现的奇异问题。仿真结果验证了所设计算法的可行性。     

深空着陆器随机优化制导律设计

针对导航估计误差对制导精度的不利影响,提出了一种随机优化制导设计方法。该方法将导航估计性能作为优化项引入制导设计过程中,通过对观测轨迹的优化设计,使视觉导航估计精度得到提高,进而改善了制导性能;同时,引入单步超前优化方法减少迭代运算量。将其应用于深空探测着陆任务,仿真结果表明与传统估计最优制导方法相比,该随机优化制导律有效降低了估计误差给制导系统带来的不利影响,使着陆器导航与制导系统整体性能得到改善提高。     

永磁同步电动舵机系统滑模变结构控制器设计

针对电动舵机系统,建立表贴式永磁同步电机(SPMSM)矢量控制模型。设计基于指数趋近律的滑模变结构控制器,并在此基础上进行抖振抑制。利用变指数趋近律滑模控制器与比例-积分-微分(PID)控制器相结合,设计组合控制器,既可最大程度地发挥滑模变结构控制的快速性与鲁棒性,又可利用PID控制的优势减小系统最后的抖振。最后,通过与基于指数趋近律的滑模控制器进行仿真对比,验证组合控制器对电动舵机系统抖振的抑制效果。仿真结果表明:设计的组合控制器将系统静差减小了85%,并基本消除了滑模末端的抖振。     

基于Lyapunov方法的空间飞行器大角度姿态机动控制

本文研究空间飞行器大角度资态机动的控制问题，为了克服大角度机动时使用欧拉角可能产生的奇异问题，文中使用四元参形式的微分方程来描述飞行器的运动，飞行器的动力学方程具有不确定性和非线性。本文应用Lyapunov方法设计在大角度姿态机动控制器，这个控制器具有按指数规律变化的增益，它大大减小了对初始力矩的要求，最后，本文给出一个例子来说明所导出的控制器的优点。     

基于自抗扰技术的挠性航天器高精度指向控制

针对存在外部干扰和模型不确定性的挠性航天器,提出了一类新颖的基于自抗扰技术的控制方案,实现无姿态角速度反馈的航天器对目标高精度姿态指向控制。对目标相对姿态指向控制系统进行建模,引入一光滑连续秦函数,构造三阶扩张观测器,观测系统姿态角速度和总扰动,并利用其实现动态补偿线性化及扰动抑制。针对单框架控制力矩陀螺群作为执行机构常存在的奇异,引入零空间空转指令设计了一类奇异避免操纵律。将控制系统方案用于某挠性航天器模型,仿真结果验证了方案的有效性、合理性。     

用单框架控制力矩陀螺的大型航天器姿态控制系统实物仿真研究

利用三轴气浮台模拟航天器空间力学环境，进行了单框架控制力矩陀螺(SGCMG)姿态控制／动量管理系统全实物仿真研究。推导了大型航天器姿态控制／动量管理系统数学模型。设计调试了实物仿真系统。研究了单框架控制力矩陀螺奇异回避问题、失效操纵问题和动量管理优化问题。证明了系统构形分析、奇异性分析和操纵律设计的正确性和有效性。通过大型航天器姿态控制／动量管理系统实物仿真，检验了设计方案的可行性和系统硬、软件的可靠性。