陀螺飛輪實(shí)現(xiàn)航天器姿態(tài)測量與控制的機(jī)理分析.pdf

1、陀螺飛輪是一種新型的航天器姿態(tài)控制與測量裝置,它可以同時具備航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)中的執(zhí)行器機(jī)構(gòu)控制力矩輸出能力和姿態(tài)敏感器的姿態(tài)測量功能。作為執(zhí)行器,陀螺飛輪可以充當(dāng)具有三軸力矩輸出能力的變速雙框架控制力矩陀螺,作為敏感器可以充當(dāng)兩軸姿態(tài)敏感的動力調(diào)諧陀螺儀。正是陀螺飛輪將執(zhí)行器和敏感器集于一身的特點(diǎn),可以顯著降低航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)的體積、質(zhì)量和成本,這對于微小衛(wèi)星的研制有著重要意義。
　　本文首先介紹了陀螺飛輪的機(jī)械結(jié)構(gòu),可以看出

2、其機(jī)械組成與傳統(tǒng)的動力調(diào)諧陀螺儀十分相似,并論述了該機(jī)械結(jié)構(gòu)所帶來的動力調(diào)諧問題。在此基礎(chǔ)之上,闡述了陀螺飛輪作為航天器姿控元件的工作機(jī)理,并對陀螺飛輪進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模。其中,在建模部分采用了歐拉動力學(xué)和拉格朗日動力學(xué)兩種方法:由于歐拉動力學(xué)方程中的各力矩項(xiàng)均來自理論分析,因此其物理意義清晰,但是所包含的力矩形式可能還不夠完善;而拉格朗日動力學(xué)方法是從能量的角度對物理系統(tǒng)進(jìn)行的描述,因此可以彌補(bǔ)歐拉動力學(xué)模型的不足。然后,在此基礎(chǔ)之上利用

3、SimMechanics多體動力學(xué)模型對上述所建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證,并確立了數(shù)學(xué)模型的正確性。
　　其次,利用所得到的模型對陀螺飛輪的開環(huán)特性進(jìn)行了研究,分析得到了陀螺飛輪的線性傾側(cè)范圍、轉(zhuǎn)速變化范圍,并運(yùn)用頻域分析法描述了其開環(huán)特性。通過對非線性時變模型中非線性項(xiàng)的分析,經(jīng)過必要的簡化確立了工程簡化模型,使其在工作范圍內(nèi)可代替復(fù)雜的非線性模型,為工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。建模是本文的重要研究內(nèi)容,通過建模我們將陀螺飛輪的物理問題成功

4、的轉(zhuǎn)化成了數(shù)學(xué)問題。
　　再次,根據(jù)動量矩定理,陀螺飛輪實(shí)現(xiàn)力矩輸出的本質(zhì)是轉(zhuǎn)子動量矩方向和大小的改變,動量矩方向的變化是通過力矩器中的兩個力矩閉環(huán)實(shí)現(xiàn)的,但是由于陀螺飛輪是一個兩輸入兩輸出系統(tǒng),并且兩通道存在強(qiáng)烈的耦合,因此需要通過恰當(dāng)?shù)慕怦?將模型轉(zhuǎn)變成兩個單輸入單輸出的系統(tǒng),并最終進(jìn)行了變參數(shù)控制器的設(shè)計(jì);而動量矩大小的控制是利用機(jī)電伺服系統(tǒng)中基于相位閉環(huán)策略的PLL鎖相環(huán)方法實(shí)現(xiàn)的。而對于陀螺飛輪的測角功能,采用的是動力調(diào)

5、諧陀螺儀力平衡原理實(shí)現(xiàn)的,所用的測量方程也均來源于所推導(dǎo)的動力學(xué)方程,然后論述了分時復(fù)用和實(shí)時測量兩種方案的可行性。
　　在全文的最后,利用靈敏度的思想分析了影響姿態(tài)控制與測量精度的主要因素,完成了對陀螺飛輪系統(tǒng)的初步優(yōu)化工作。
　　本課題以微小衛(wèi)星的姿態(tài)控制技術(shù)研究為背景,針對此類航天器對姿態(tài)控制系統(tǒng)小體積,輕重量,小功耗,高精度的要求,通過推導(dǎo),建立了陀螺飛輪的動力學(xué)模型和陀螺飛輪系統(tǒng)的控制與測量模型,并經(jīng)過計(jì)算和仿真的