磁盘卫星的自适应鲁棒滑模姿态控制方法技术

一种磁盘卫星的自适应鲁棒滑模姿态控制方法，属于磁盘卫星姿态控制技术领域。本发明专利技术针对现有滑模变结构控制方法用于磁盘卫星姿态控制，解决没有考虑转动惯量不确定性以及环境力矩干扰，控制精度低等问题。包括在滚转轴和俯仰轴上设置质量块；建立磁盘卫星的姿态动力学模型，并展开得到对应电推进力偏心力矩和气动力矩的磁盘卫星展开动力学方程；基于磁盘卫星的当前姿态与期望姿态定义自适应鲁棒滑模函数，再基于自适应鲁棒滑模函数设计Lyapunov函数；再结合自适应鲁棒滑模控制律，得到滚转轴和俯仰轴的姿态控制律，并计算得到质量块在本体坐标系x轴和y轴的位移，同时结合滚转轴和俯仰轴的自适应律进行姿态控制。本发明专利技术用于磁盘卫星的姿态控制。明用于磁盘卫星的姿态控制。明用于磁盘卫星的姿态控制。

【技术实现步骤摘要】
磁盘卫星的自适应鲁棒滑模姿态控制方法


[0001]本专利技术涉及磁盘卫星的自适应鲁棒滑模姿态控制方法，属于磁盘卫星姿态控制


技术介绍

[0002]磁盘卫星是一种扁平状构型、低质量、多载荷携带并且能够高密度堆叠的平板状卫星，它的典型结构是一个复合材料的夹层平板，如图1至图3所示。其直径1m，厚2.5cm，质量约为2.5kg。它的单个圆盘的表面积远远大于任何传统立方体卫星的总表面积。卫星中间设有设备舱，可以根据任务需求安装不同功能的电子设备，姿态控制、轨道控制、电源等分系统等在卫星内部夹层中分布安装的结构如图1和图3所示。
[0003]磁盘卫星内部组件主要分为以下三部分，测量部件、执行部件和中心控制单元。其中测量部件主要包括数字太阳敏感器、光纤陀螺组件、星敏感器、磁强计和GNSS接收机等；执行部件主要包括质量矩、磁力矩器和推进系统等；飞轮，磁力矩器中心控制单元主要由计算机(与综合电子系统计算机共用)组成。搭载了任务模块的磁盘卫星内部结构如图4所示。
[0004]由于磁盘卫星特殊的几何形状和分布组件的不确定性，导致整个卫星难以安装完整的控制系统，因此目前还没有一种特别合适磁盘卫星的姿态控制系统。
[0005]卫星在轨运行期间，环境力矩的存在及转动惯量参数的不确定要求设计的姿态控制律有较高的鲁棒性与参数自适应能力。滑模变结构控制是一种有效的控制方法，但传统的滑模变结构控制方法需要系统不确定性的界值，并且没有对环境力矩进行观测估计，因此不能实现磁盘卫星的姿态稳定控制。

技术实现思路
r/>[0006]针对现有滑模变结构控制方法用于磁盘卫星姿态控制，没有考虑转动惯量不确定性以及环境力矩干扰，控制精度低的问题，本专利技术提供一种磁盘卫星的自适应鲁棒滑模姿态控制方法。
[0007]本专利技术的一种磁盘卫星的自适应鲁棒滑模姿态控制方法，包括，
[0008]在磁盘卫星内部呈方形轮廓安装四条导轨，每条导轨上设置一个质量块；其中一对导轨与卫星本体坐标系x轴平行，另一对导轨与卫星本体坐标系y轴平行；将卫星本体坐标系x轴方向设为滚转轴方向，卫星本体坐标系y轴方向设为俯仰轴方向；
[0009]建立磁盘卫星的姿态动力学模型，并基于磁盘卫星的当前姿态将姿态动力学模型展开得到对应电推进力偏心力矩和气动力矩的磁盘卫星展开动力学方程；
[0010]基于磁盘卫星的当前姿态与期望姿态定义自适应鲁棒滑模函数，再基于自适应鲁棒滑模函数设计Lyapunov函数；
[0011]根据磁盘卫星展开动力学方程定义滚转轴的自适应鲁棒滑模控制律，再结合Lyapunov函数得到滚转轴的姿态控制律，再由滚转轴的姿态控制律计算得到质量块在本体坐标系y轴的位移；
[0012]同时根据磁盘卫星展开动力学方程定义俯仰轴的自适应鲁棒滑模控制律，再结合Lyapunov函数得到俯仰轴的姿态控制律，再由俯仰轴的姿态控制律计算得到质量块在本体坐标系x轴的位移；
[0013]为使Lyapunov函数的导数小于零，满足滑模条件，并使卫星控制系统稳定运动到滑模面，设计滚转轴和俯仰轴的自适应律；
[0014]最后，根据质量块在本体坐标系y轴的位移、质量块在本体坐标系x轴的位移及滚转轴和俯仰轴的自适应律通过执行机构控制质量块运动，其中相同方向两个导轨上的两个质量块在执行机构的相同驱动力下同步产生相同位移，使磁盘卫星的当前姿态趋向期望姿态，实现磁盘卫星的三轴稳定姿态控制。
[0015]根据本专利技术的磁盘卫星的自适应鲁棒滑模姿态控制方法，磁盘卫星的姿态动力学模型为：
[0016][0017]式中I
c
∈R3×3为卫星的转动惯量矩阵，ω
B
＝[ω
x ω
y ω
z
]T
为卫星本体坐标系相对于惯性坐标系的角速度，ω
x
、ω
y
、ω
z
为角速度ω
B
的x轴、y轴和z轴分量；T
t
为电推进力偏心力矩，T
d
为气动力矩，T
h
为环境干扰力矩，T
m
为四个质量块运动对卫星本体产生的干扰力矩，M
d
为时变慢干扰力矩；
[0018]采用干扰观测器观测得到时变慢干扰力矩M
d
的观测值并进行补偿。
[0019]根据本专利技术的磁盘卫星的自适应鲁棒滑模姿态控制方法，磁盘卫星展开动力学方程为：
[0020][0021]式中I
x
，I
y
，I
z
为转动惯量矩阵I
c
的x轴、y轴和z轴分量：
[0022][0023]为滚转角，θ为俯仰角，ψ为偏航角，ω
o
为轨道角速度，m
x
，m
y
分别为x轴和y轴上运动的质量块质量，m为卫星系统总质量，F
tx
、F
ty
、F
tz
为电推进力在本体坐标系的x轴、y轴和z轴分量，l
x
表征质量块在本体坐标系x轴的位移，l
y
表征质量块在本体坐标系y轴的位移，r
x
、r
y
为电推进力作用点在卫星本体坐标系的位置r
t
的x轴、y轴分量，T
mx
、T
my
、T
mz
为干扰力矩T
m
在卫星本体坐标系的x轴、y轴和z轴分量，F
px
、F
py
、F
pz
为气动力在卫星本体坐标系的x轴、y轴和z轴分量，
[0024]角速度ω
B
为：
[0025][0026]根据本专利技术的磁盘卫星的自适应鲁棒滑模姿态控制方法，定义自适应鲁棒滑模函数s为：
[0027][0028]式中s1(t)为滚转角自适应鲁棒滑模函数，s2(t)为俯仰角自适应鲁棒滑模函数，c1为滚转角误差系数，c2为俯仰角误差系数，e1(t)为滚转角姿态跟踪误差，e2(t)为俯仰角姿态跟踪误差，e2(t)＝θ
d
‑
θ，为期望滚转角，θ
d
为期望俯仰角；
[0029]自适应鲁棒滑模函数的导数为：
[0030][0031]根据本专利技术的磁盘卫星的自适应鲁棒滑模姿态控制方法，定义Lyapunov函数V为：
[0032][0033]将作为转动惯量矩阵I
c
的估计值，则转动惯量矩阵I
c
的误差值γ为常数，γ＞0。
[0034]根据本专利技术的磁盘卫星的自适应鲁棒滑模姿态控制方法，定义滚转轴的自适应鲁棒滑模控制律u1：
[0035][0036]将Lyapunov函数V展开，并将磁盘卫星展开动力学方程中的变量代入Lyapunov函数V的展开式中，得到滚转轴的Lyapunov函数V1：<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磁盘卫星的自适应鲁棒滑模姿态控制方法，其特征在于包括，在磁盘卫星内部呈方形轮廓安装四条导轨，每条导轨上设置一个质量块；其中一对导轨与卫星本体坐标系x轴平行，另一对导轨与卫星本体坐标系y轴平行；将卫星本体坐标系x轴方向设为滚转轴方向，卫星本体坐标系y轴方向设为俯仰轴方向；建立磁盘卫星的姿态动力学模型，并基于磁盘卫星的当前姿态将姿态动力学模型展开得到对应电推进力偏心力矩和气动力矩的磁盘卫星展开动力学方程；基于磁盘卫星的当前姿态与期望姿态定义自适应鲁棒滑模函数，再基于自适应鲁棒滑模函数设计Lyapunov函数；根据磁盘卫星展开动力学方程定义滚转轴的自适应鲁棒滑模控制律，再结合Lyapunov函数得到滚转轴的姿态控制律，再由滚转轴的姿态控制律计算得到质量块在本体坐标系y轴的位移；同时根据磁盘卫星展开动力学方程定义俯仰轴的自适应鲁棒滑模控制律，再结合Lyapunov函数得到俯仰轴的姿态控制律，再由俯仰轴的姿态控制律计算得到质量块在本体坐标系x轴的位移；为使Lyapunov函数的导数小于零，满足滑模条件，并使卫星控制系统稳定运动到滑模面，设计滚转轴和俯仰轴的自适应律；最后，根据质量块在本体坐标系y轴的位移、质量块在本体坐标系x轴的位移及滚转轴和俯仰轴的自适应律通过执行机构控制质量块运动，其中相同方向两个导轨上的两个质量块在执行机构的相同驱动力下同步产生相同位移，使磁盘卫星的当前姿态趋向期望姿态，实现磁盘卫星的三轴稳定姿态控制。2.根据权利要求1所述的磁盘卫星的自适应鲁棒滑模姿态控制方法，其特征在于，磁盘卫星的姿态动力学模型为：式中I
c
∈R3×3为卫星的转动惯量矩阵，ω
B
＝[w
x w
y w
z
]
T
为卫星本体坐标系相对于惯性坐标系的角速度，ω
x
、ω
y
、ω
z
为角速度ω
B
的x轴、y轴和z轴分量；T
t
为电推进力偏心力矩，T
d
为气动力矩，T
h
为环境干扰力矩，T
m
为四个质量块运动对卫星本体产生的干扰力矩，M
d
为时变慢干扰力矩；采用干扰观测器观测得到时变慢干扰力矩M
d
的观测值并进行补偿。3.根据权利要求2所述的磁盘卫星的自适应鲁棒滑模姿态控制方法，其特征在于，磁盘卫星展开动力学方程为：式中I
x
，I
y
，I
z
为转动惯量矩阵I
c
的x轴、y轴和z轴分量：
为滚转角，θ为俯仰角，ψ为偏航角，ω
o
为轨道角速度，m
x
，m
y
分别为x轴和y轴上运动的质量块质量，m为卫星系统总质量，F
tx
、F
ty
、F
tz
为...

【专利技术属性】
技术研发人员：代宇，吴凡，杨伯毓，刘楚宏，尤昊冉，任懿文，郭金生，陈雪芹，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：