电磁对接控制方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种电磁对接控制方法及装置，采用“常磁矩控制+1次磁矩切换”模式，其中电磁对接控制方法包括：根据目标电磁装置的磁感应强度，追踪电磁装置的初始速度、初始磁矩和目标电磁装置与追踪电磁装置质心之间的初始距离，计算对接系统的初始机械能；根据追踪电磁装置设定的切换速度、初始磁矩和对接系统的初始机械能，计算与切换速度对应的目标电磁装置与追踪电磁装置质心之间的切换距离；根据切换速度、切换距离、追踪电磁装置的期望对接速度以及期望对接距离，计算追踪电磁装置的切换磁矩；当追踪电磁装置的速度变成切换速度时，将追踪电磁装置的磁矩变换为切换磁矩，解决了现有方法设计复杂和对控制设计鲁棒性要求较高的技术问题。

【技术实现步骤摘要】
电磁对接控制方法及装置
本专利技术涉及运动状态控制领域，特别地，涉及一种电磁对接控制方法及装置。
技术介绍
在轨服务技术代表了航天科学发展的前沿与重点方向，航天器交会对接是其关键基础技术；同时，随着在轨航天器数目的增多以及空间任务复杂性的增强，常态化在轨服务需求逐渐凸现。航天器电磁对接技术是通过星上电磁装置主动产生磁场，并利用磁场间相互作用生成的力/力矩控制航天器间相对位置/姿态，从而达成对接目的。航天器电磁对接技术为常态化在轨服务提供了一种新型对接方式，可有效避免传统推力器方式所固有的推进剂消耗、羽流污染及光学干扰，具有非接触、连续、可逆及同步控制能力，应用前景广阔。航天器对接一般采用两种模式：硬性对接、柔性对接。硬性对接可为后续机械机构锁紧提供触发动量，而柔性对接为更先进的模式，其根据需求调节对接接触速度，可避免对接冲击。航天器电磁对接所采用的作用力/力矩具有连续及可逆特性，可加以利用以实现柔性对接控制。另外，电磁力/力矩作用本身具有自对接、线动量/角动量/机械能守恒特性，利用这些特性可简化对接控制设计以及克服动力学模型误差影响。目前已有的航天器电磁对接研究几乎都采用“特定任务→动力学建模→控制律设计”思路，没有充分挖掘电磁对接本身的潜力；另外，现有方法存在设计复杂、较少利用电磁作用本身特性、对控制设计鲁棒性要求较高等问题，关于电磁对接本质特性及利用其进行控制的研究目前尚未见到公开发表的文献。
技术实现思路
本专利技术提供了一种电磁对接控制方法及装置，以解决现有方法存在的设计复杂、较少利用电磁作用本身特性并且对控制设计鲁棒性要求较高的技术问题。本专利技术采用的技术方案如下：根据本专利技术的一个方面，提供了一种电磁对接控制方法，包括如下步骤：根据目标电磁装置的磁感应强度，追踪电磁装置的初始速度、初始磁矩和目标电磁装置与追踪电磁装置质心之间的初始距离，计算对接系统的初始机械能；根据追踪电磁装置设定的切换速度、初始磁矩和初始机械能，计算与切换速度对应的目标电磁装置与追踪电磁装置质心之间的切换距离；根据切换速度、切换距离、追踪电磁装置的期望对接速度以及期望对接距离，计算追踪电磁装置的切换磁矩；当追踪电磁装置的速度变成切换速度时，将追踪电磁装置的磁矩变换为切换磁矩。进一步地，计算对接系统的初始机械能包括：计算追踪电磁装置处目标电磁装置产生的磁感应强度；根据追踪电磁装置的速度、磁矩和磁感应强度，以及追踪电磁装置与目标电磁装置的质心距离，计算用以计算对接系统的机械能计算公式；根据初始速度、初始磁矩和初始距离，通过机械能计算公式计算初始机械能。进一步地，确定电磁装置的切换磁矩包括：根据切换速度和切换距离，确定用以计算对接系统切换后机械能的第一公式；根据追踪电磁装置的期望对接速度以及期望对接距离，确定用以计算对接系统切换后机械能的第二公式；基于第一公式和第二公式计算追踪电磁装置的切换磁矩。进一步地，该电磁对接控制方法还包括：对磁感应强度、初始磁矩和切换速度进行调节，用以优化对接系统的对接总时间和电能消耗指标；根据多个不同的参数计算出与参数一一对应的多个切换磁矩，并将每组参数及与其对应的切换磁矩成对存储并制成表格，根据实际的参数，运用表格查询选择相应的切换磁矩，参数包括初始速度、初始磁矩、初始距离及切换速度中的一个或者多个。进一步地，在计算对接系统的初始机械能之前还包括：判别对接情形是否属于一维情形或二维情形：如果对接情形是一维情形，判断追踪电磁装置和目标电磁装置的磁极方向是否一致，若是则执行下一步骤，若否则判定对接情形无法实现自对接；如果对接情形是二维情形，判断对接情形是否满足判定条件，若是则执行下一步骤，若否则判定对接情形无法实现自对接，判定条件如下：式中，μT是目标电磁装置的磁矩，μC是追踪电磁装置的磁矩，α是目标电磁装置相对于目标电磁装置与追踪电磁装置质心连线的夹角，β是追踪电磁装置相对于目标电磁装置与追踪电磁装置质心连线的夹角，m是追踪电磁装置质量，ωz是追踪电磁装置和目标电磁装置质心连线转动的角速度，d是追踪电磁装置和目标电磁装置质心之间的距离，μ0是真空磁导率。根据本专利技术的另一方面，还提供了一种电磁对接控制装置，包括：初始机械能确定模块，用于根据目标电磁装置的磁感应强度，追踪电磁装置的初始速度、初始磁矩和目标电磁装置与追踪电磁装置质心之间的初始距离，计算对接系统的初始机械能；切换距离确定模块，用于根据追踪电磁装置设定的切换速度、初始磁矩和初始机械能，计算与切换速度对应的目标电磁装置与追踪电磁装置质心之间的切换距离；切换磁矩确定模块，用于根据切换速度、切换距离、追踪电磁装置的期望对接速度以及期望对接距离，计算追踪电磁装置的切换磁矩；磁矩切换模块，用于当追踪电磁装置的速度变成切换速度时，将追踪电磁装置的磁矩变换为切换磁矩。进一步地，初始机械能确定模块包括：磁感应强度计算模块，用于计算追踪电磁装置处目标电磁装置产生的磁感应强度；机械能计算公式确定模块，用于根据追踪电磁装置的速度、磁矩和磁感应强度，以及追踪电磁装置与目标电磁装置的质心距离，确定用以计算对接系统的机械能计算公式；初始机械能计算模块，用于根据初始速度、初始磁矩和初始距离，通过机械能计算公式计算初始机械能。进一步地，切换磁矩确定模块包括：第一公式确定模块，用于根据切换速度和切换距离，确定用以计算对接系统切换后机械能的第一公式；第二公式确定模块，用于根据追踪电磁装置的期望对接速度以及期望对接距离，确定用以计算对接系统切换后机械能的第二公式；切换磁矩计算模块，用于基于第一公式和第二公式计算追踪电磁装置的切换磁矩。进一步地，电磁对接控制装置还包括调节模块，调节模块用于对磁感应强度、初始磁矩和切换速度进行调节，用以优化对接系统的对接总时间和电能消耗指标；装置包括存储模块和查询模块，其中，存储模块用于根据多个不同的参数计算出与参数一一对应的多个切换磁矩并将每组参数及与其对应的切换磁矩成对存储并制成表格，查询模块用于根据实际的参数并运用表格查询选择相应的切换磁矩，参数包括初始速度、初始磁矩、初始距离及切换速度中的一个或多个。进一步地，该电磁对接控制装置还包括对接情形判别模块，用于判别对接情形是否属于一维情形或二维情形：如果对接情形是一维情形，判断追踪电磁装置和目标电磁装置的磁极方向是否一致，若是则执行初始机械能确定模块，若否则判定对接情形无法实现自对接；如果对接情形是二维情形，判断对接情形是否满足判定条件，若是则执行初始机械能确定模块，若否则判定对接情形无法实现自对接，判定条件如下：式中，μT是目标电磁装置的磁矩，μC是追踪电磁装置的磁矩，α是目标电磁装置相对于目标电磁装置质心与追踪电磁装置质心之间连线的夹角，β是追踪电磁装置相对于目标电磁装置质心与追踪电磁装置质心之间连线的夹角，m是追踪电磁装置质量，ωz是追踪电磁装置和目标电磁装置质心连线转动的角速度，d是追踪电磁装置和目标电磁装置质心之间的距离，μ0是真空磁导率。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术电磁对接控制方法及装置，根据目标电磁装置的磁感应强度，追踪电磁装置的初始追踪速度、初始磁矩和目标电磁装置与追踪电磁装置质心之间的初始距离，计算对接系统的初始机械能；根据追踪电磁装置设定的切换速度、初始磁矩和初始机械能，计算与本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电磁对接控制方法，其特征在于，包括如下步骤：根据目标电磁装置的磁感应强度，追踪电磁装置的初始速度、初始磁矩和所述目标电磁装置与所述追踪电磁装置质心之间的初始距离，计算对接系统的初始机械能；根据所述追踪电磁装置设定的切换速度、所述初始磁矩和所述初始机械能，计算与所述切换速度对应的所述目标电磁装置与所述追踪电磁装置质心之间的切换距离；根据所述切换速度、所述切换距离、所述追踪电磁装置的期望对接速度以及期望对接距离，计算所述追踪电磁装置的切换磁矩；当所述追踪电磁装置的速度变成所述切换速度时，将所述追踪电磁装置的磁矩变换为所述切换磁矩。

【技术特征摘要】
1.一种电磁对接控制方法，其特征在于，包括如下步骤：根据目标电磁装置的磁感应强度，追踪电磁装置的初始速度、初始磁矩和所述目标电磁装置与所述追踪电磁装置质心之间的初始距离，计算对接系统的初始机械能；根据所述追踪电磁装置设定的切换速度、所述初始磁矩和所述初始机械能，计算与所述切换速度对应的所述目标电磁装置与所述追踪电磁装置质心之间的切换距离；根据所述切换速度、所述切换距离、所述追踪电磁装置的期望对接速度以及期望对接距离，计算所述追踪电磁装置的切换磁矩；对所述磁感应强度、所述初始磁矩和所述切换速度进行调节，用以优化所述对接系统的对接总时间和电能消耗指标；根据多个不同的参数计算出与所述参数一一对应的多个所述切换磁矩，并将每组所述参数及与其对应的所述切换磁矩成对存储并制成表格，根据实际的所述参数，运用所述表格查询选择相应的所述切换磁矩，所述参数包括所述初始速度、所述初始磁矩、所述初始距离及所述切换速度中的一个或者多个；当所述追踪电磁装置的速度变成所述切换速度时，将所述追踪电磁装置的磁矩变换为所述切换磁矩。2.根据权利要求1所述的电磁对接控制方法，其特征在于，计算对接系统的初始机械能包括：计算所述追踪电磁装置处所述目标电磁装置产生的所述磁感应强度；根据所述追踪电磁装置的速度、磁矩和所述磁感应强度，以及所述追踪电磁装置与所述目标电磁装置的质心距离，确定用以计算对接系统机械能的机械能计算公式；根据所述初始速度、所述初始磁矩和所述初始距离，通过所述机械能计算公式计算所述初始机械能。3.根据权利要求1所述的电磁对接控制方法，其特征在于，计算所述电磁装置的切换磁矩包括：根据所述切换速度和所述切换距离，确定用以计算对接系统切换后机械能的第一公式；根据所述追踪电磁装置的所述期望对接速度以及所述期望对接距离，确定用以计算所述对接系统切换后机械能的第二公式；基于所述第一公式和所述第二公式计算所述追踪电磁装置的切换磁矩。4.根据权利要求1至3任一所述的电磁对接控制方法，其特征在于，在计算对接系统的初始机械能之前还包括：判别对接情形是否属于一维情形或二维情形：如果所述对接情形是一维情形，判断所述追踪电磁装置和所述目标电磁装置的磁极方向是否一致，若是则执行下一步骤，若否则判定所述对接情形无法实现自对接；如果所述对接情形是二维情形，判断所述对接情形是否满足判定条件，若是则执行下一步骤，若否则判定所述对接情形无法实现自对接，所述判定条件如下：式中，μT是所述目标电磁装置的磁矩，μC是所述追踪电磁装置的磁矩，α是所述目标电磁装置相对于所述目标电磁装置与所述追踪电磁装置质心连线的夹角，β是所述追踪电磁装置相对于所述目标电磁装置与所述追踪电磁装置质心连线的夹角，m是所述追踪电磁装置质量，ωz是所述追踪电磁装置和所述目标电磁装置质心连线转动的角速度，d是所述追踪电磁装置和所述目标电磁装置质心之间的距离，μ0是真空磁导率。5.一种电磁对接控制装置，其特征在于，所述电磁对接控制装置包括：初始机械能确定模块，用于根据目标电磁装置的磁感应强度，追踪电磁装置的初始速度、初始磁矩和所述目标电磁...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨乐平，张元文，朱彦伟，黄涣，戚大伟，徐良，蔡伟伟，敖厚军，肖英，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43