反作用轮实现微纳卫星光电跟踪物理仿真

发布时间：2020-09-14 16:15

　　为了验证以反作用轮为执行机构实现姿态机动,完成微纳卫星对运动目标跟踪的可行性,设计了基于单轴气浮台的微纳卫星光电跟踪物理仿真系统。首先,为提高物理仿真系统的性能,分别对反作用轮和气浮台的干扰力矩进行分析;其次,针对反作用轮存在的干扰力矩和加、减速时间常数不对称的问题,设计了增益调度和力矩补偿相结合的反作用轮控制策略;再其次,采用双闭环-速度前馈的控制结构,完成了微纳卫星光电跟踪物理仿真系统的控制系统的设计;最后,为了验证仿真系统的跟踪性能,对作正弦运动的一维靶标进行跟踪。实验表明:对于跟踪最大速度为9 (°)/s、最大角加速度为4.5 (°)/s~2的正弦运动靶标,物理仿真平台的跟踪精度达到0.4°,从而说明以反作用轮为执行机构实现姿态机动,微纳卫星可以实现对运动目标的跟踪。
【部分图文】：

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瓿晌锢矸抡嫦低车南低匙?成设计；其次，分析物理仿真系统的干扰力矩；然后，针对扰动依次设计飞轮本体控制策略、微纳卫星光电跟踪物理仿真系统的控制系统；最后，通过实验进行验证，并对实验结果进行分析。1物理仿真系统组成微纳卫星光电跟踪物理仿真系统是地面仿真实验系统。该系统主要用于验证反作用轮作为执行机构来调整卫星本体姿态实现星载光学载荷对目标跟踪与瞄准的可行性。在该物理仿真系统中，不考虑三轴耦合效应，认为三轴间是相互独立，只研究某一轴的姿态跟踪。微纳卫星光电跟踪物理仿真系统示意图如图1所示。图1微纳卫星光电跟踪物理仿真系统示意图Fig.1Diagramofphotoelectrictrackingphysicalsimulationsystemformicro-nanosatellites单轴气浮台在该系统中既是微重力模拟装置，又是物理仿真的支撑平台与整星模拟平台。通过单轴气浮台的转动，来模拟整星在空间的姿控状态。气浮台的台面水平以及台面平衡调整的精度决定了物理仿真结果的精度和可靠性[9]。反作用轮是执行机构，输出动量和通过加减速输出反作用力矩。假设整星系统不受外部力矩或者所受合力矩为零，某时刻t0、整星角速度和反作用轮角速度关系可表示为：Jsωs0+Jwωw0=C(1)式中：Js、Jw分别为整星转动惯量和反作用轮转动惯量；ωs、ωw分别为t0时刻整星角速度和反作用轮角速度；C为常数。

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沟牡ブ崞釱√ǎ噱艿接善鈅逭承?引起的粘滞阻尼力矩[16]为：Md=πμθ夦r412δ3r2r1幱幱4+4lr1-幱幱3(11)式中：μ为气体粘性系数；δ表示的是气膜的厚度；表示气浮台转角速度；r1、r2分别为径向轴承和止推轴承的外径；l表示径向轴承的长度。公式(11)表明，粘滞阻尼力矩仅与气浮轴承的几何参数和转动气浮平台的转速有关。3控制系统设计3.1反作用轮控制系统设计为了抑制反作用轮内部干扰力矩的影响，使输出力矩更好地复现指令力矩，采用速率反馈对干扰力矩进行补偿。基于速率反馈力矩补偿飞轮控制系统组成图[17]如图2所示。微纳卫星跟踪需要反作用轮通过加、减速输出图2基于速率反馈力矩补偿飞轮控制系统示意图Fig.2Sketchofflywheelcontrolsystembasedonratefeedbackfortorquecompensation力矩驱动，所以在本物理仿真系统中更着重于反作用轮的动态响应特性。其中，反作用轮的加速、减速系统时间常数τ越小，输出力矩越大；飞轮的加速、减速系统时间常数τ的正、反转对称性也是一项重要特性。反作用轮的工作区分为正向加速区、反向加速区、正向减速区、反向减速区四个象限。反作用轮输出力矩特性如图3所示。针对反作用轮加速、减速过程系统时间常数τ不对称问题，采用增益调度控制方式来提高控制精度。增益调度控制如图4所示，在反作用轮的四个工作区间分别设计四个校正网络，四个校正网络根据调度策略进行切换。(a)理想输出力矩特性(b)不对称输出力矩特性(a)Idealcharacteristicof(b)Asymmetriccharacteristicofoutputtorqueoutputtorque图3反作用轮输出力矩特性Fig.3Outputtorquecharacteristicsofreactionwheel

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红外与激光工程第10期www.irla.cn第48卷1013003-5图4增益调度控制方法示意图Fig.4Schematicdiagramofgainschedulingcontrolmethod将基于速率反馈的力矩补偿和增益调度相结合，设计了如图5所示的反作用轮控制系统。该控制系统既补偿了干扰力矩，同时也解决了反作用轮加减速时间常数不对称问题。图5反作用轮控制系统方框图Fig.5Blockdiagramofreactionwheelcontrolsystem图5中，L、R分别为飞轮电机的电感和电阻；KT、K赞T分别为电磁转矩系数及其估计值；Ke为反电动势系数；Jw、J赞w分别为飞轮的转动惯量及其估计值；α、β分别为电流环的反馈系数和速度环的反馈系数；T*、TR、Te、Tf分别为反作用轮控制系统的输入指令力矩、反作用力矩、电磁转矩、飞轮内部干扰力矩；ω*、ω分别为速度环的给定角速度和实际速度；I*、I分别为电流环的指令电流、和电枢电流；uc、ue分别为电枢电压和反动电势；Gv(s)、Gi(s)分别为速度环控制器的传递、电流环控制器传递函数；S(·)为增益调度策略。若采用飞轮速度ω及其微分ω夦做调度变量，则S(ω，ω夦)是关于ω和ω夦的函数。根据图5可以写出系统的传递函数为：TRT*=-Kw(J赞ws+K赞TGvn(s))Gi(s)LJws2+(LRJw+αJwGi(s))s+βKTGi(s)Gvn(s)+KeKT式中：Gvn(s)为速度环第n(n=1，2~4)个控制器的传递函数。Kw为：Kw=JwKTJ赞wK赞T3.2微纳卫星光电跟踪物理仿真系统的控制系统设计基于反作用轮驱动的气浮台模拟微纳卫星，其跟踪控制系统采用速度前馈补偿的双闭环控制结构设计。其控制系统框图如图6所示。图6模拟微纳卫星整星控制系统方框图Fig.6Blockdiagramofanalogmicro-nanosatellitewhole-starcontrolsystem图6中，θs*、θs分别为姿态跟踪系统位置环给定角位置、输出角位置；ωs*、ωs

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