[发明专利]一种空间柔性电帆自旋调速控制方法

说明书

一种空间柔性电帆自旋调速控制方法，属于电动帆领域，具体涉及一种柔性电帆自旋调速控制方法。本发明包括以下：步骤一、基于绝对节点坐标方法建立柔索的大变形动力学模型，确定单元节点，推导常数质量矩阵及参考构型下的广义弹性力；步骤二、建立中心刚体动力学模型、对中心转动约束副建立1自由度约束代数方程、对柔索与中心刚体的连接球铰建立3自由度约束代数方程；步骤三、对柔索进行受力分析，并计算动平衡状态下的柔索转动角加速度；步骤四、选取控制变量，依据受力分析设计调速控制率并计算得到中心刚体需要输出的调速控制力矩。本发明解决了柔性电帆的柔索自旋多体系统无法调速控制的问题，可运用于电动帆控制系统。

技术领域

本发明属于电动帆领域，具体涉及一种柔性电帆自旋调速控制方法。

背景技术

现代空间技术的发展使得航天器结构的设计逐渐趋于小型化、灵巧化，不仅要保证体积小、质量轻、在发射阶段收拢性好，待航天器入轨后，还应能够在足够大的空间范围内展开，航天器机动过程中能保持结构稳定，大柔性结构在这些方面具有一定优势。同时，为了打破长期飞行任务对星上能源的限制，利用空间场力进行推进的方式也逐渐被采纳。

由数十或数百根带电导线组成的虚拟太阳风电动帆就是一种典型的空间系绳，其质量超轻、收拢性好、展开后覆盖范围极广的优良性能使其成为颇具前景的无工质推进方式。电动帆主要依靠作用在通电导线上的太阳风动压提供动力。发射阶段导线缠绕在一圆柱轮毂上，入轨后中心轮毂(中心刚体)开始转动，导线末端带有一质量块，依靠质量块产生的离心力拉动导线从中心轮轴逐渐伸出，完成展开后的导线束形成虚拟帆面。通电导线是极细长的绳索，这种结构固然具有一定优势，却也给帆面保持、导线运动状态预测以及姿态控制等造成困难。电帆自旋过程中如无能量耗散则系统动量守恒，绳索质量很小但长度很长，系统质量惯量主要集中在位于绳末端的质量块上。离心力作用下的绳索与末端质量动量交换过程中，绳上各点的位置、速度极易受到影响而发生改变，进而影响虚拟帆面形状；电帆柔索于空间中展开后呈放射状分布，远端难以施加测量、控制，无法实现柔索自旋多体系统调速控制。

发明内容

本发明为解决现有技术无法实现柔性电帆的柔索自旋多体系统调速控制的问题，提供了一种空间柔性电帆自旋调速控制方法。

本发明所述一种空间柔性电帆自旋调速控制方法，通过以下技术方案实现：

步骤一：基于绝对节点坐标方法建立柔索的大变形动力学模型，确定单元节点，以单元节点位置及位置梯度作为广义变量，推导常数质量矩阵及参考构型下的广义弹性力；

步骤二：选取中心刚体的位置及四元数为广义坐标建立中心刚体动力学模型、对中心转动约束副建立1自由度约束代数方程、对柔索与中心刚体的连接球铰建立3自由度约束代数方程；

步骤三：对柔索进行受力分析，并计算动平衡状态下的柔索转动角加速度；

步骤四：选取控制变量，依据受力分析设计调速控制率并计算得到中心刚体需要输出的调速控制力矩。

本发明与现有技术相比较，最为突出的特点和显著的有益效果是：本发明所采用的绝对节点坐标方法主要用于解决大变形柔性体动力学问题。该方法能够较为真实的进行电帆多柔体系统的动力学建模，反映绳索大变形等复杂动力学特性，以及在环境力干扰或微流星撞击下帆面形状保持达到动态平衡状态；此外，由于绳索的运动及变形统一在绝对坐标系下描述，因此能够方便地与其他多体系统进行耦合建模，适合于实际的工程应用。

基于此，针对电帆柔索的转速调整进行了控制器的设计以及动力学仿真验证，初始角速度为ω₂＝-1rad/s，目标角速度ω_d＝-1.5rad/s，自旋状态下，通过中心轮毂上的反向作用力矩以及滞回力矩，在0-1s时间内，角速度基本调整至-1.5rad/s，之后线缆角速度在-1.5rad/s附近周期振荡，实现了空间大范围放射状分布的电帆柔索调速控制。

附图说明