[發明專利]火星著陸器噴氣推力器和質量矩復合控制系統

有效

• 申請號: 201410138869.2
• 申請日: 2014-04-08
• 公開（公告）號: CN103869823A
• 公開（公告）日: 2014-06-18
• 發明（設計）人: 吳忠;王振;郭雷
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 李有浩

技術領域

本發明涉及一種火星著陸器的姿態控制系統，更特別地說，是指一種基于RCS和MM復合的火星著陸器噴氣反作用和質量矩復合控制系統。

背景技術

火星是距離地球較近的行星之一，其自然環境與地球相似，將火星探測作為深空探測的一部分，對進一步了解地球、火星的演化過程具有重要意義。

2010年5月第31卷第3期《宇航學報》中公開了名稱為：火星EDL導航、制導與控制技術綜述與展望。文獻中指出要實現著陸器在火星表面的精確著陸，著陸器必須經歷進入、下降和著陸三個過程。該文獻中的圖2公開了著陸器自主障礙檢測與規避體系結構，從圖中可以看出高精度制導與控制是著陸任務成功實施的前提和保障，為實現著陸器在火星表面的精確著陸，必須為著陸器設計高精度的制導系統，而著陸器的姿態控制是高精度制導系統所要解決的核心關鍵技術之一。

在目前的深空探測研究和實踐中，大都采用噴氣反作用控制系統（Reaction?Control?System，RCS）產生著陸器姿態控制所需的控制力矩。雖然RCS控制簡單，具有較強的姿態控制能力，但其工作受著陸器所攜帶燃料的限制，而且液體燃料的過度消耗還會引起液體晃動及RCS的脈沖工作模式，直接影響著陸器姿態的控制控制精度，最終會影響著陸精度。

變質心（Moving?Mass，MM）控制（即質量矩控制）則將質量滑塊安裝在著陸器內部，通過質量滑塊的移動改變著陸器的質心，可以產生連續控制力矩，不存在燒蝕問題，結構簡單。然而，僅依靠MM不能產生滾轉控制力矩，在大氣稀薄時，無法實現較大幅度的姿態機動。

姿態控制系統精度也取決于執行機構的輸出力矩精度和控制器所能達到的控制精度。

發明內容

為此，本發明綜合考慮兩類執行機構的特點，采用RCS和MM復合控制模式，實現對火星著陸器姿態的高精度控制。

本發明設計的一種火星著陸器噴氣推力器和質量矩復合控制系統，該系統至少包括有姿態控制器、著陸器系統動力學模型和執行機構；

執行機構是指噴氣反作用控制系統RCS和變質心MM的復合執行機構（2）；所述變質心MM中包括有第一質量滑塊p和第二質量滑塊q；第一質量滑塊p安裝在著陸器的本體體坐標系O_b-X_bY_bZ_b的Y_b軸上，且第一質量滑塊p可以沿Y_b軸往復運動；第二質量滑塊q安裝在著陸器的本體體坐標系O_b-X_bY_bZ_b的Z_b軸上，且第二質量滑塊q可以沿Z_b軸往復運動；

在基于RSC與MM復合執行機構下構建了著陸器動力學和運動學模型（3）；

姿態控制系統（1）中的姿態控制模塊（11）根據接收到的姿態誤差產生姿態控制所需的期望姿態控制力矩并輸出給控制分配模塊（12）中的控制力矩分配模塊（121）；控制力矩分配模塊（121）將所述的期望姿態控制力矩進行分配處理后一方面輸出RCS力矩指令給RCS指令分解模塊（122），另一方面輸出質量滑塊力矩指令給質量滑塊指令分解模塊（123）；RCS指令分解模塊（122）對接收到的所述RCS力矩指令進行分解處理，輸出RCS啟動指令PWM_RCS給執行機構中的RCS系統；質量滑塊指令分解模塊（123）對接收到的所述質量滑塊力矩指令進行分解處理，輸出MM的位置指令s_p,s_q給執行機構中的MM系統；s_p表示第一質量滑塊p的位置指令，s_q表示第二質量滑塊q的位置指令；

復合執行機構（2）中的RCS依據PWM_RCS指令產生控制力矩MM依據s_p,s_q指令產生控制力矩復合執行機構（2）的力矩總和為作用于著陸器的復合控制力矩；

著陸器動力學和運動學模型（3）是在復合執行機構（2）的力矩總和與環境因素產生的空氣干擾力矩共同作用下，改變火星著陸器姿態，進而改變著陸器的著陸軌跡，最終完成著陸器姿態和位置的解算。

本發明與現有技術相比優點在于：

①充分考慮火星非球形攝動，太陽、地球等星體引力攝動，以及未建模動態不確定項，建立基于RCS/MM的火星著陸器復合動力學模型。

②設計的姿態控制系統可以對力矩不確定項進行準確估計并補償，實現對著陸器期望姿態的準確跟蹤。