[发明专利]基于非线性加权矩阵的磁悬浮控制敏感陀螺群伪逆操纵律

说明书

本发明涉及一种基于自适应非线性加权矩阵的磁悬浮控制敏感陀螺群伪逆操纵律。基于角动量守恒定律并结合磁悬浮控制敏感陀螺机理特性，建立双正交构型磁悬浮控制敏感陀螺群的动力学模型；分析陀螺群中各转子二自由度偏转状态，提出转子偏转饱和度函数，进而给出自适应非线性加权矩阵元函数；在此基础上，设计出一种基于自适应非线性加权矩阵的磁悬浮控制敏感陀螺群伪逆操纵律，使陀螺群在有限的转子偏转区间内合理分配输出力矩，实现对载体航天器三自由度控制。本发明属于新概念陀螺控制技术领域，可应用于使用磁悬浮控制敏感陀螺作为航天器姿态机动执行机构的姿态控制系统。

技术领域

本发明涉及一种基于自适应非线性加权矩阵的磁悬浮控制敏感陀螺群伪逆操纵律，适用于航天器姿控系统。

技术背景

磁悬浮控制敏感陀螺是一种新概念陀螺，其转子系统采用五自由度全主动控制，具有一定小角度的微框架效应，能够瞬间输出较大的陀螺力矩，实现姿态控制；载体姿态变化时，磁轴承对转子沿径向施加二自由度控制力矩，通过测量控制力矩间接实现姿态敏感。因此，磁悬浮控制敏感陀螺融合了控制力矩陀螺姿态控制、角速率陀螺仪姿态敏感的功能，实现了器件功能的合二为一，可显著降低航天器姿态控制系统的体积、重量、功耗、成本。此外，不同于磁悬浮控制力矩陀螺采用框架力矩间接驱动转子偏转，磁悬浮控制敏感陀螺通过洛伦兹力磁轴承提供直接驱动的线性力矩，无摩擦、无延时，有利于实现高精度高带宽力矩输出。

设计合理的磁悬浮控制敏感陀螺群操纵律，是实现其从概念提出阶段走向空间应用阶段必须解决的关键问题。现有的航天器姿态控制系统执行机构的操纵律主要针对控制力矩陀螺而设计，大多是为了避免陀螺群的转子陷入奇异状态而采用伪逆和空转相结合的复合操纵律。对于磁悬浮控制敏感陀螺，其转子偏转角较小，陀螺群不会陷入奇异状态；但是，磁悬浮控制敏感陀螺转子偏转范围有限，陀螺群对外输出力矩过程中，转子容易陷入偏转饱和状态。因此，现有的陀螺群操纵律无法直接应用于以磁悬浮控制敏感陀螺群为执行机构的姿态控制系统。

发明内容

本发明解决的技术问题是：为克服磁悬浮控制敏感陀螺群对载体航天器输出力矩过程中转子偏转角受限的问题，提出一种基于自适应非线性加权矩阵的伪逆操纵律。该方法通过不仅可以实现对载体航天器三自由度姿态控制，还可以有效避免转子陷入偏转饱和状态，为航天器的快速机动姿态控制提供了一种全新的技术途径。

本发明的技术解决方案是：

根据磁悬浮控制敏感陀螺的工作原理及角动量守恒定律，建立双正交构型磁悬浮控制敏感陀螺群的动力学模型；分析陀螺群中各转子二自由度偏转状态，提出转子偏转饱和度函数，进而给出基于双曲正弦函数的自适应非线性加权函数，并将该函数作为目标权重元函数；基于建立的动力学模型及权重元函数，设计一种基于自适应非线性加权矩阵的磁悬浮控制敏感陀螺群伪逆操纵律，使陀螺群在有限的转子偏转区间内合理分配输出力矩，实现对载体航天器输出三自由度姿态控制，具体包括以下步骤：

(1)建立双正交构型磁悬浮控制敏感陀螺群动力学模型

定子坐标系下，转子角动量表达式为：

式中，J_x、J_y、J_z分别为转子相对x、y、z轴的转动惯量，且J_x＝J_y；分别为洛伦兹力磁轴承驱动转子沿x、y轴偏转的角速度，Ω为电机驱动转子沿z轴旋转的角速度。

偏转的陀螺转子对与磁轴承固连的载体航天器输出控制力矩，根据角动量守恒定律，控制力矩与转子角动量导数相反，即控制力矩为：