[發(fā)明專利]一種含非線性晃動及大柔性附件航天器姿態(tài)復(fù)合控制方法

在審

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• 申請日: 2023-03-07
• 公開（公告）號: CN116424575A
• 公開（公告）日: 2023-07-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉峰;王世元;岳寶增
• 申請（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號: B64G1/24
• 分類號: B64G1/24
• 代理公司: 北京正陽理工知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11639
• 代理人: 王松

1.一種含非線性晃動及大柔性附件航天器姿態(tài)復(fù)合控制方法，其特征在于：包括以下步驟，

步驟1、應(yīng)用混合坐標(biāo)下的拉格朗日方程建立帶大型柔性附件充液航天器大范圍運動動力學(xué)模型；在帶大型柔性附件充液航天器建模過程中，以T_e表征航天器受到的各種非保守干擾力矩，重力梯度力矩T_g為唯一非保守干擾力矩；采用歐拉四元數(shù)描述航天器主體任意角度姿態(tài)運動；采用假設(shè)模態(tài)離散化方法描述1～m個柔性附件的彈性振動，實現(xiàn)高效簡潔地表征柔性附件的彈性振動；采用拆分變量技術(shù)改進液體晃動等效球擺模型的運動描述，實現(xiàn)明確表征液體推進劑相對于1～n號儲箱的整體性剛體運動與非線性晃動，所述非線性晃動包括有限幅橫向晃動和旋轉(zhuǎn)晃動；

步驟2、對步驟1得到的航天器姿態(tài)動力學(xué)模型線性化，得到表觀非耦合的姿態(tài)動力學(xué)模型；在選取合適的充液柔性航天器系統(tǒng)狀態(tài)空間內(nèi)Lyaponuv函數(shù)中引入誤差變量，從而對相關(guān)相關(guān)狀態(tài)變量進行狀態(tài)估計；應(yīng)用Lyaponuv穩(wěn)定性理論設(shè)計充液柔性航天器輸出反饋姿態(tài)控制律，保證航天器姿態(tài)運動以及帆板振動漸近穩(wěn)定；

步驟3、根據(jù)帆板的主振動模態(tài)，設(shè)計相應(yīng)的ZVD成型器脈沖序列，將ZVD成型器脈沖序列依次與目標(biāo)姿態(tài)四元數(shù)進行卷積運算，得到整型后的歐拉四元數(shù)輸入指令；

步驟4、結(jié)合步驟2中得到的充液柔性航天器輸出反饋姿態(tài)控制律和步驟3中得到的歐拉四元數(shù)輸入指令，設(shè)計的充液柔性航天器輸入成型-輸出反饋復(fù)合姿態(tài)控制器；通過充液柔性航天器輸入成型-輸出反饋復(fù)合姿態(tài)控制器保證航天器姿態(tài)運動以及帆板振動漸近穩(wěn)定，實現(xiàn)帶大型柔性附件充液航天器在軌大范圍姿態(tài)平穩(wěn)機動及柔性附件振動主動抑制控制。

2.如權(quán)利要求1所述的一種含非線性晃動及大柔性附件航天器姿態(tài)復(fù)合控制方法，其特征在于：步驟1實現(xiàn)方法為，

步驟1.1、定義航天器系統(tǒng)各部分的運動，包括航天器主剛體平臺質(zhì)心相對于慣性參考系的位置和速度、主剛體平臺相對于慣性參考系的轉(zhuǎn)動角速度、姿態(tài)控制三軸反作用輪相對于慣性參考系的轉(zhuǎn)動角速度、柔性附件上任一質(zhì)量微元相對于慣性參考系的位置和速度、液體晃動等效球擺模型集中質(zhì)量相對于慣性參考系的位置和速度；

步驟1.2、推導(dǎo)航天器系統(tǒng)的總動能和總勢能；

航天器系統(tǒng)總動能表示成如下矩陣計算式

航天器系統(tǒng)總勢能包括柔性附件振動時儲存的應(yīng)變能V_sp和液體晃動時等效球擺的重力勢能V_p兩部分；

步驟1.3、航天器系統(tǒng)運動的拉格朗日函數(shù)為系統(tǒng)總動能與系統(tǒng)勢能之差，所述表征航天器系統(tǒng)總能量的拉格朗日函數(shù)L為

L＝T-(V_sp+V_p)????????????????????????????(2)

航天器角速度下的拉格朗日方程為

廣義坐標(biāo)下描述帆板振動和球擺運動的拉格朗日方程分別為

將(1)帶入(2)后得到航天器系統(tǒng)拉格朗日函數(shù)的具體表達式，再將(2)分別代入到(3)、(4)、(5)所述的描述航天器系統(tǒng)各部分運動的拉格朗日方程中，進而推導(dǎo)出帶單個部分充液球形儲箱及對稱安裝的兩塊柔性太陽能帆板的航天器姿態(tài)動力學(xué)模型如公式(6)所示

式中：I_mb代表航天器主體關(guān)于航天器本體系的轉(zhuǎn)動慣量矩陣，所述航天器主體包括航天器主剛體、兩塊太陽帆板和等效球擺等三部分；ω是航天器角速度矢量在航天器本體系下表示的坐標(biāo)矩陣，是ω的時間導(dǎo)數(shù)；P是第1塊太陽帆板振動與航天器姿態(tài)運動之間的耦合系數(shù)矩陣；q是第1塊太陽帆板振動的前3階振動模態(tài)坐標(biāo)組成的廣義坐標(biāo)矩陣；Q是球擺運動與航天器姿態(tài)運動之間的耦合系數(shù)矩陣；ρ是由描述等效球擺模型相對于儲箱的運動的歐拉角組成的廣義坐標(biāo)矩陣；I_w是三軸反作用輪關(guān)于航天器本體系的轉(zhuǎn)動慣量矩陣；Ω是三軸反作用輪相對角速度矢量在本體系下表示的坐標(biāo)矩陣；表示ω的反對稱對偶矩陣；T_g是航天器受到的重力梯度力矩；M_sp是一塊太陽帆板振動的模態(tài)質(zhì)量矩陣；K_sp是一塊太陽帆板振動的模態(tài)剛度矩陣；M_p是球擺運動的廣義質(zhì)量矩陣；C_p是球擺運動的等效阻尼系數(shù)矩陣；K_p是等效球擺運動的廣義剛度矩陣；是球擺模型等效液體剛體運動的剛體坐標(biāo)；T_w是姿態(tài)控制三軸反作用輪輸出的控制反力矩在航天器本體系下表示的坐標(biāo)矩陣。