大型控制力矩陀螺动力学精细建模与仿真

控制力矩陀螺（CMG,control moment gyro）系统存在多种误差与扰动,影响航天器的姿态控制精度.分析了大型单框架控制力矩陀螺（SGCMG,single gimbal control moment gyro）各主要组成部分的特性、误差及扰动,包括转子动静不平衡、转子轴的安装误差、轴承摩擦、转子电机特性、框架电机特性和谐波减速器特性.通过建立大型SGCMG的动力学精细模型并进行数学仿真,得到了大型SGCMG主要误差与扰动对其输出力矩的影响：在框架伺服系统加装谐波齿轮减速机构可以明显提高SGCMG输出力矩精度,同时也给框架带来高频谐振;转子动不平衡造成的扰动力矩是导致SGCMG在其力矩输出轴和框架轴方向产生输出力矩偏差的主要原因.     

大型控制力矩陀螺动力学精细建模与仿真

控制力矩陀螺(CMG,control moment gyro)系统存在多种误差与扰动,影响航天器的姿态控制精度.分析了大型单框架控制力矩陀螺(SGCMG,single gimbal control moment gyro)各主要组成部分的特性、误差及扰动,包括转子动静不平衡、转子轴的安装误差、轴承摩擦、转子电机特性、框架电机特性和谐波减速器特性.通过建立大型SGCMG的动力学精细模型并进行数学仿真,得到了大型SGCMG主要误差与扰动对其输出力矩的影响:在框架伺服系统加装谐波齿轮减速机构可以明显提高SGCMG输出力矩精度,同时也给框架带来高频谐振;转子动不平衡造成的扰动力矩是导致SGCMG在其力矩输出轴和框架轴方向产生输出力矩偏差的主要原因.     

单框架控制力矩陀螺系统的运动奇异及回避

为满足航天器姿态三轴控制的要求,通常在姿态控制系统中采用3个或以上的单框架控制力矩陀螺(SGCMG).当多个SGCMG协调工作时,系统会出现奇异现象.在研究SGCMG系统的运动奇异机理及零运动的基础上,提出了一种判别奇异状态可回避性的新方法.该方法把对奇异状态可回避性的判别转化为对一组非线性常微分方程的定性研究.以某4-SGCMG系统为例,验证了上述方法的可行性.      

微小卫星用微型控制力矩陀螺研究

摘要： 随着技术的发展,微小卫星已经成为一种功能强大的航天器.为了进一步拓展微小卫星的应用领域,提升其任务效益,高敏捷机动能力成为了微小卫星发展的重要方向.控制力矩陀螺（CMG）因其具有高转矩能量比和低重量力矩比,将成为实现微小卫星敏捷机动的重要执行机构.介绍一种新型的可应用于微小卫星的微型CMG,其角动量为0.1 N·m·s.经过实验室测试和环境试验,结果表明该型CMG可满足微小卫星的姿态控制需求.     

控制力矩陀螺轴承组件摩擦力矩特性研究

控制力矩陀螺轴承组件是空间飞行器姿态控制系统的核心部件,其轴承的性能直接影响着空间飞行器姿态控制系统的控制精度和使用寿命,甚至危及空间飞行器安全.对于控制力矩陀螺轴承组件,轴承摩擦力矩大小及其波动性是轴承的关键性能指标,针对空间飞行器控制力矩陀螺轴承组件,在滚动轴承摩擦学和动力学基础上,建立六自由度控制力矩陀螺轴承组件非线性动力学微分方程组,并采用预估 校正的GSTIFF(Gear stiff)变步长积分算法进行求解,对其在有/无重力的工作环境、公 自转工况、轴承预紧力以及保持架兜孔间隙对轴承摩擦力矩幅值及其波动性的影响进行分析.分析结果表明：预紧力对轴承组件摩擦力矩影响显著,预紧力过大或过小都不利于降低摩擦力矩及其波动性,对于本文分析的轴承组件最佳预紧力为50~55N;保持架稳定性受重力影响显著,无重力时自转工况下保持架较稳定;过小的兜孔间隙会使摩擦力矩增大,过大的兜孔间隙会使摩擦力矩波动性增大,存在最优兜孔间隙使得摩擦力矩及其波动性都较小,针对本文分析型号的轴承组件,间隙比应控制在0.6~0.8之间.     

飞轮和控制力矩陀螺高速转子的涡动特性研究

执行机构的高速转子在旋转过程中所造成的高频抖动,将对卫星的姿态控制精度和稳定度造成一定的影响。通过建立飞轮和控制力矩陀螺高速转子的动力学模型,分析转子的涡动特性,并通过振动测试试验验证了相关的理论分析结果。     

单框架控制力矩陀螺复合操纵律设计

为改善单框架控制力矩陀螺(SGCMG)动态操纵律的奇异回避和逃逸性能,文章设计了一种基于前馈和反馈的复合操纵律.当SGCMG系统远离奇异时,不引入前馈,仅采用基于反馈的动态操纵律;当SGCMG系统接近或陷入奇异时,在动态操纵律的基础上,引入前馈信息,辅助SGCMG系统回避或逃逸奇异.复合操纵律不但可以保留动态操纵律的优点,不需计算Jacobi矩阵的伪逆,计算简单,易于实现,而且可以逃逸椭圆型内部奇点.对某SGCMG系统的仿真结果表明,复合操纵律是可行的.     

控制力矩陀螺驱动的空间机器人轨迹跟踪控制

提出一种新的空间机器人设计概念,并研究其轨迹跟踪控制问题.系统中的各机械臂以自由球铰连接,在机器人平台和每节机械臂上均安装有一组控制力矩陀螺（CMGs,Control Moment Gyroscopes）作为控制力矩执行机构.采用改进的罗格里得斯参数（MRPs,Modified Rodrigues Parameters）描述平台和各节机械臂的姿态,利用Kane方程建立了系统的动力学模型.在此基础上,用逆动力学方法设计了系统的轨迹跟踪控制律,用以实现卫星平台的位置/姿态和机械臂末端作用器位置的轨迹跟踪控制.采用带有零运动的CMGs操纵律以使CMGs准确输出力矩并回避构型奇异.基于两关节机械臂系统和金字塔构型CMGs的数值仿真结果验证了所设计的控制律和操纵律的有效性,以及自由球铰连接方式在提高末端作用器运动自由度和降低系统动力学耦合方面的优越性.      

变速控制力矩陀螺模式调度型操纵律设计

变速控制力矩陀螺(VSCMG)是一种飞轮转速可变的单框架控制力矩陀螺,可工作在控制力矩陀螺(CMG)模式、飞轮(RW)模式以及VSCMG模式.考虑VSCMG的工作特点,设计一种工作模式自主调度的操纵律.当系统远离奇异时,仅以CMG模式工作,产生大的输出力矩.当系统接近奇异时,以VSCMG模式工作,采用RW协助CMG回避奇异.当航天器处于姿态稳定模式需要精细控制力矩时,仅以RW模式工作.该操纵律由模式调度策略、CMG操纵律、RW操纵律3部分组成,把一个3×2N矩阵的求伪逆问题转化为两个3×N矩阵的求伪逆问题,物理意义明显,奇异回避易于实现.对某4-VSCMG系统的仿真结果表明,上述操纵律是可行的.     

柔性支撑控制力矩陀螺动力学建模与控制

针对柔性支撑引起控制力矩陀螺(CMG)框架控制性能下降的问题,建立了柔性支撑条件下控制力矩陀螺的动力学模型,分析了柔性支撑扰动力矩的耦合机理并给出了解析模型.据此,设计了 一种积分滑模控制策略,用于提升对CMG框架动力学特性变化和新增扰动力矩的鲁棒性.仿真结果表明,该控制策略相比传统的PID控制具有更好的动态过程和稳态...     

水下机器人路径控制与仿真

研究了水下机器人的路径跟踪问题.首先考虑重力、浮力、推力、水动力以及附加质量的影响,建立了6自由度水下机器人的动力学模型.在此基础上设计了非线性控制系统,包括一个内控制回路和一个外控制回路.内控制回路根据机器人动力学模型引入非线性补偿,使得经内控制回路作用后的机器人化为一个解耦的线性定常系统,外控制回路采用比例微分(PD)控制,根据机器人实际轨迹与期望轨迹间的偏差进行负反馈控制.最后通过MATLAB对水下机器人追踪水面目标和跟踪空间螺旋线进行仿真,并给出了仿真曲线,从仿真结果可以看出,利用该方法可以使水下机器人具有较强的抗干扰能力,能够较好地实现对时变理论轨迹的跟踪.     

可变构型的控制力矩陀螺控制方法

针对固定构型的控制力矩陀螺群无法灵活改变其合成角动量包络以适应卫星不同工况的姿态机动需求问题,设计了一种可变构型的控制力矩陀螺群控制方法。建立了可变构型的控制力矩陀螺群的动力学模型;在考虑控制力矩陀螺群框架角速度、高速转子转速以及构型倾角变化速率等多变量下,设计了可变构型的控制力矩陀螺群的操纵律;分析了构型倾角固定和构型倾角可变情形下的控制力矩陀螺群合成角动量包络和奇异状态分布情况。采用可变构型的控制力矩陀螺群进行了卫星多工况姿态敏捷机动控制。数学仿真校验表明,可变构型的控制力矩陀螺控制方法能够实现金字塔构型下不同数目的控制力矩陀螺故障时的卫星三轴敏捷机动控制。     

控制力矩陀螺框架高精度周期随动控制

为实现控制力矩陀螺框架伺服系统的高精度周期随动控制,采用比例积分微分(PID,Proportion Integration Differentiation)控制器结合重复控制器的控制方式,PID控制器实现框架伺服系统静态和匀速运动的高精度控制,插入式重复控制器实现对周期性输入信号的精确跟踪.对控制力矩陀螺框架系统进行了建模,设计了PID控制器与插入式重复控制器,并分析了重复控制器的稳定性条件、稳态跟踪性能和对扰动的抑制能力.仿真结果和实验结果表明:采用插入式重复控制器使控制力矩陀螺跟踪1Hz给定速度信号时的稳态跟踪误差大幅减少.PID控制器结合插入式重复控制器结构简单,两者可分开独立设计,参数设计容易.     

连续信号交叉口网联自动驾驶车速控制

为了提高车辆在城市道路上行驶时的燃油经济性,同时减少污染物的排放,针对车联网环境下自动驾驶车辆可以与路侧设施及区域中心控制系统实时信息交互的特征,提出了连续信号交叉口车速控制方法。当车辆距下游各信号交叉口的距离和下游交叉口信号相位及时长可以提前获取时,通过提出的自动驾驶车速控制模型计算出一个使车辆能够连续通过下游多个信号交叉口的恒定速度,同时为了保证驾驶舒适性,采用平滑的三角函数曲线表征加/减速过程中的速度变化,避免了车辆在交叉口处急刹车或急加速的情况。为验证车速控制方法的有效性,基于多智能体技术建立了车联网环境下连续信号交叉口车速控制仿真系统,模拟对比分析了有速度控制和无速度控制下车辆连续通过3个信号交叉口的燃油消耗量、CO₂排放量以及行程时间。结果表明:在低密度车流下,运用该车速控制方法,车辆连续通过3个信号交叉口的平均燃油消耗量与CO₂排放量均减少了30%以上,行程时间减少了约5%;在中、高密度车流下,车辆的平均燃油消耗量与CO₂排放量减少了约20%,并能够节省约15%的行程时间。另外,通过与目前已有的针对单点信号交叉口的车速控制模型的比较,本文提出的连续信号交叉口车速控制模型在节能减排方面更具优势。      

四轮驱动汽车牵引力控制系统控制策略

针对四轮驱动汽车整车动力性和横向稳定性的问题,提出新的目标滑转率计算和修正方法的牵引力控制系统综合控制策略。首先,建立车辆系统各主要部件的数学模型;然后,针对不同工况,利用模糊PID控制技术建立以发动机节气门开度控制、轴间扭矩分配控制和驱动轮制动控制为一体的牵引力控制系统综合控制策略;在车轮目标滑转率的选取方面,提出了最优纵向滑转率查表法,并根据车速以及轮胎侧偏角的大小对目标滑转率进行实时修正;最后,在典型工况下使用MATLAB/Simulink对四轮驱动汽车牵引力控制系统进行离线仿真研究。结果表明：本文所提出的牵引力控制系统控制策略能有效地抑制驱动轮的过度滑转,充分利用路面附着条件,提高汽车纵向驱动稳定性。     

无人直升机自主着舰系统设计及仿真试验

设计了一套包含视觉目标识别单元、目标跟踪器、甲板状态跟踪器和模糊逻辑控制的无人直升机自主着舰系统.视觉系统通过对采集的图像预处理提取出可能的甲板标识区域,然后对此区域计算其仿射不变矩特征集合,对得到的特征集经过模糊识别技术实现对甲板降落区域的识别,并根据矩特征集计算出甲板运动状态信息.目标跟踪器采用了卡尔曼滤波技术,在目标二阶运动方程的基础上设计了跟踪算法.甲板运动状态跟踪器用于在无人直升机的降落期间实现对甲板尤其是触舰瞬间甲板的纵摇、横摇及浮沉状态的预测,该跟踪器采用了改进的卡尔曼多步预测算法.设计了基于模糊逻辑的比例积分控制器,由多个并行的对特定任务实施控制的子控制行为构成.仿真试验结果验证了所提出的算法.在仿真试验中,无人直升机能够正确的识别甲板目标区域,实现了对运动舰船在二维水平面内的跟踪,甲板状态跟踪器能够预测未来1~5个周期内甲板状态,控制器基于目标信息和甲板状态能够正确地引导无人直升机实现安全着舰.     

基于续航能力的仿生水下航行器设计及实验

SPC3-UUV机器鱼是在北航SPC-2仿生机器鱼UUV平台基础上经过优化改进,为提高推进效率和续航力专门研制的水下仿生航行器实验平台.通过在泳池静水中对平台的摄像机测速观测实验和功率数据采集计算机的记录,得到SPC3-UUV速度-频率,功率-频率特性曲线,由航程估算,得到该平台在不同的拍动频率下续航时间以及估算航程,同时以平台速度和续航能力为评价原则选择了长航程实验的推进频率,范围定为1.5~1.6Hz,并在北戴河长航程实验中得到了验证.SPC-3 UUV航程达到22.761km,续航时间6.25h,平均航速1.03m/s.      

基于跟踪微分器的高超声速飞行器减步控制

针对高超声速飞行器强非线性,强耦合与高度不确定性的特点,提出一种基于高阶跟踪微分器的减步控制方案。将高超声速飞行器纵向模型表达为严反馈形式。在反步法设计框架中,引入跟踪微分器,利用其对给定信号任意阶导数精确估计的能力,计算第1步设计中产生的虚拟控制量的导数,并直接获得第2步实际控制量,从而将设计步骤从3步减少为2步。且在每步设计中将参数不确定性与外部扰动建模为等效干扰,设计扩张状态观测器获得等效干扰估计值,继而在控制器设计中进行补偿。利用Lyapunov方法证明闭环系统稳定性。仿真结果验证了所提控制方案对不确定及干扰的抑制作用,且跟踪精度优于传统动态面方法。     

基于不变流形的高超声速飞行器动态面控制

针对存在未知气动参数的吸气式高超声速飞行器纵向运动控制问题,提出一种基于不变流形的自适应动态面控制方法.通过合理假设将高超声速飞行器纵向模型分解为弹道倾角回路和速度回路,分别实现对弹道倾角和速度参考指令的跟踪.弹道倾角回路被表达为严反馈形式进行控制器设计.采用基于不变流形的自适应方法实现了对未知参数的估计.所提出的自适应动态面控制方案能保证未知参数估计误差全局一致稳定和闭环系统全局有界稳定,且估计器和控制器设计不存在耦合,因此参数设计更加容易.仿真结果验证了该控制方法在参数估计方面的显著优势和良好的闭环系统性能.