交通工具姿態控制的制作方法

通常在低重力環境中交通工具的總體姿態控制通過使用例如推進、控制力矩陀螺儀、反作用輪和動量輪平臺來獲得。使用推進的姿態控制導致了粗糙的控制，其一般不適于通過高橫向角加速度定位具有精確指向系統的車輛，該高橫向角加速度用于在小角度的觀測場(例如，感興趣區域)內的點之間移動精確指向系統并且然后以減小的敏捷度在高達三個軸線上使精確指向系統移動通過大角度，從而在另一個感興趣區域內重新定位并且重新定向交通工具。控制力矩陀螺儀是敏捷的并且提供有效的轉矩和動量，但是控制力矩陀螺儀是昂貴的。反作用輪在三個軸線上提供均勻的控制，并且可以在單一軸線上被有效地偏置。但是，反作用輪需要大量的動力來操作。此外，當需要多個反作用輪以滿足在兩個軸線上的高轉矩和動量需求時，增加反作用輪的數量被視為在用于錐體/金字塔(pyramid)構型時提供了減小的回復力(return)。具有多達兩個自由度(例如，翻轉(tip)/傾斜運動)的動量輪平臺提供了在兩個軸線上的高加速度，但是它們的動量存儲受到平臺的角行程和輪尺寸限制。技術實現要素：因此，旨在解決上述顧慮的系統和方法將會發現是有用的。本公開的一個示例涉及雙級交通工具姿態控制系統，其包括第一姿態控制模塊、第二姿態控制模塊以及控制器，所述第一姿態控制模塊具有被布置以提供零動量交通工具姿態控制的至少兩個動量輪，每個動量輪包括有限行程兩軸萬向節，所述第二姿態控制模塊具有以錐體構型布置的反作用輪以沿著與至少兩個動量輪的控制軸線共用的至少一個控制軸線提供交通工具姿態控制，所述控制器被連接到第一姿態控制模塊和第二姿態控制模塊，所述控制器被配置為協調第一姿態控制模塊和第二姿態控制模塊的致動以使交通工具在交通工具的三個軸線中的至少一個軸線上旋轉。本公開的一個實施例涉及控制交通工具的姿態的方法。該方法包括控制第一姿態控制模塊和第二姿態控制模塊的致動，以使交通工具在交通工具的三個軸線中的至少一個軸線上旋轉，其中控制第一姿態控制模塊的致動包括利用有限行程兩軸萬向節使每個動量輪沿著交通工具的三個軸線中的兩個軸線樞轉，并且其中第一姿態控制模塊是以第一敏捷度水平提供零動量交通工具姿態控制的動量輪模塊，并且第二姿態控制模塊是以第二敏捷度水平沿著與動量輪模塊的控制軸線共用的至少一個控制軸線提供交通工具姿態控制的錐體反作用輪模塊，其中第一敏捷度水平大于第二敏捷度水平。本公開的一個示例涉及雙級交通工具姿態控制系統，其包括第一姿態控制模塊、第二姿態控制模塊以及控制器，該第一姿態控制模塊具有被布置以提供零動量交通工具姿態控制的至少兩個動量輪，每個動量輪包括使動量輪沿著交通工具的三個軸線中的兩個軸線樞轉的有限行程兩軸萬向節，該第二姿態控制模塊具有以錐體構型布置的反作用輪，用以沿著與至少兩個動量輪的控制軸線共用的至少一個控制軸提供交通工具姿態控制，該控制器被連接到第一姿態控制模塊和第二姿態控制模塊，該控制器被配置為協調第一姿態控制模塊和第二姿態控制模塊的致動以使交通工具在交通工具的三個軸線中的至少一個軸線上旋轉，從而至少兩個動量輪提供零動量操縱增量給反作用輪。附圖說明因此已經概括地描述了本公開的示例，現在將參考附圖，附圖沒必要按比例繪制，并且其中類似的參考標記指定幾個附圖中相同或類似的零件，并且其中：圖1是根據本公開的一個方面的雙敏捷度姿態控制系統的框圖；圖2是根據本公開的一個方面的包含雙敏捷度姿態控制系統的交通工具的示意圖；圖3A和圖3B是根據本公開的一個方面的雙敏捷度姿態控制系統的一部分的示意圖；圖4是根據本公開的一個方面的雙敏捷度姿態控制系統的示意圖；圖5是根據本公開的一個方面的雙敏捷度姿態控制系統的分級控制方案的示意圖；圖6是根據本公開的一個方面的圖5的分級控制方案的一部分的示意圖；圖7是根據本公開的一個方面用于雙敏捷度姿態控制系統的控制方法的示意圖；圖8是根據本公開的一個方面的方法的流程圖；圖9是航天器生產和維護方法的流程圖；以及圖10是包含分布式交通工具系統的航天器的示意圖。在上述(多個)框圖中，連接各種元件和/或部件的實線(如果存在)可以表示機械、電氣、流體、光、電磁以及其他耦合件和/或其組合。如本文所用，“耦合”意指直接相關和間接相關。例如，構件A可以與構件B直接相關聯，或者可以經由另一構件C與構件B間接相關聯。除了框圖中描繪的那些耦合件之外的耦合件也可以存在。連接不同元件和/或部件的虛線(如果存在)表示在功能和目的方面與實線表示的耦合件類似的耦合件；但是，用虛線表示的耦合件可以被選擇性地提供，或者可以涉及本公開的可替換或可選方面。同樣，用虛線表示的元件和/或部件(如果存在)指示本公開的可替換或可選方面。環境元件(如果存在)用點線表示。在上述(多個)框圖中，方框可以表示操作和/或其一些部分。連接不同方框的線不暗示操作或其一些部分的任何特定的順序或依賴性。具體實施方式在以下描述中，多個具體細節被闡明以提供公開構思的全面理解，這些公開構思可以在沒有一些或全部細節的情況下被實踐。在其他的實例中，已知設備和/或過程的細節已經被省略以避免不必要地模糊本公開。雖然一些構思將結合具體示例來描述，但是將認識到這些示例不旨在進行限制。在此對“一個示例”或“一個方面”的引用意味著結合示例或方面所描述的一個或多個特征、結構或特性被包含在至少一個實施方式內。在說明書中不同位置處的短語“一個示例”或“一個方面”可以指代或可以不指代同一個示例或方面。除非另外說明，術語“第一”、“第二”、“第三”等在此僅用作標記，并且不旨在對這些術語所指代的項目施加順序、方位或等級要求。而且，對例如“第二”項目的引用不要求或排除存在例如“第一”或更低編號的項目和/或例如“第三”或更高編號的項目。參考圖1和圖2，本文所描述的本發明的各個方面提供了雙敏捷度姿態控制系統110，也被表示為雙級交通工具姿態控制系統110，其允許對例如具有在低重力環境內操作的精確指向系統的交通工具的交通工具100進行姿態控制，所述交通工具100要求高橫向角加速度或高敏捷度以在小角度的觀測場內(例如，第一感興趣區域200)在點P1-P3之間移動，并且然后以減小的敏捷度在高達三個軸線上移動通過大角度以便在具有小角度的觀測場的另一感興趣區域210(例如，不同于第一感興趣區域的第二感興趣區域)中內重新定位和重新定向交通工具100，以便觀測另一感興趣區域210內的一個或多個點P4-P6。參考圖1，雙敏捷度姿態控制系統100的各方面提供了組合式或雙敏捷度指向系統，其組合了反作用輪陣列和兩個或多個動量輪平臺以提供控制力矩陀螺儀的成本有效的替代物。例如，通過權衡錐體構型中的反作用輪和動量輪平臺的零動量操縱系統的優點和局限性，所提供的姿態控制系統要求比具有相同數量的交通工具運動自由度的常規姿態控制系統更少的平均功率和更少的動量存儲設備。雙敏捷度姿態控制系統100包括例如第一姿態控制模塊120、第二姿態控制模塊130以及通過有線或無線連接被連接到第一姿態控制模塊120和第二姿態控制模塊130的控制器模塊140。控制器模塊140包含至少一個處理器141和至少一個存儲器142，所述存儲器142用非臨時編程來配置以便以本文描述的方式控制第一姿態控制模塊120和第二姿態控制模塊130。例如，控制器模塊140被配置為協調第一姿態控制模塊120和第二姿態控制模塊130的致動以使交通工具在交通工具100的三個軸線X、Y、Z中的至少一個軸線中旋轉。在一個方面，控制器模塊140與交通工具100控制器101集成在一起，而在其他方面，控制器模塊140是交通工具100控制器101的子系統，其接收來自控制器101的導航/指向命令以便如本文所描述的那樣改變交通工具100的姿態。第一姿態控制模塊120是無推進物姿態控制模塊，其包括具有兩個或更多個動量輪平臺121A-121n的動量輪組件129。動量輪平臺121中的每一個包括安裝到萬向節平臺126的動量輪125和用于確定動量輪的旋轉速度和萬向節平臺126的角位置的兩個或更多個傳感器127。萬向節平臺126包含基座部分300和樞轉地安裝到基座部分300的可移動部分310，使得可移動部分310相對于基座部分300沿著X軸和Y軸翻轉和傾斜。在一個方面，翻轉和傾斜運動是例如樞轉或旋轉運動。在一個方面，基座部分300和可移動部分310形成了例如兩軸萬向節。在其他方面，兩軸萬向節平臺126具有提供例如X軸和Y軸兩者的獨立控制的任何構型。在一個方面，萬向節的X軸和Y軸分別對應于交通工具坐標系VC的X軸和Y軸(圖2和圖4)，而在其他方面，萬向節的坐標系處于已知的空間取向，但是不同于交通工具100的坐標系VC。基座部分包括致動器315X、315Y，用于沿著X軸和Y軸中的一個相應軸線樞轉可移動部分310以控制可移動部分310的角位置θ、可移動部分310沿X軸和Y軸的運動ωx、ωy的角速率以及可移動部分沿X軸和Y軸的加速度。應當注意，萬向節平臺126沿X軸和Y軸的行程量受限于萬向節平臺126的相應致動器315X、315Y的行程量或運動量和/或受限于萬向節平臺126的限制結構，例如基座300或安裝到基座300或從基座300突出的止動件。在一個方面，萬向節平臺126的行程量具有例如圍繞相應軸線的有限旋轉，其中萬向節平臺被約束免于圍繞X軸和Y軸的不受限旋轉。在一個方面，致動器315X、315Y為萬向節平臺提供沿X軸和Y軸的高達約10°的樞轉或旋轉運動，而在其他方面，致動器315X、315Y為萬向節平臺提供超過約10°的樞轉或旋轉運動。在其他方面，萬向節平臺沿X軸的樞轉運動量不同于萬向節平臺沿Y軸的樞轉運動量。致動器315X、315Y沿每個軸線X、Y的尺寸或功率取決于例如由交叉軸線致動器315X、315Y生成的轉矩。例如，要求有沿X軸的轉矩以生成沿X軸的運動ωx的角速率，這導致了交叉軸線Y軸轉矩(參見本文等式2)。交叉軸線致動器(其在該示例中是Y軸致動器)被確定尺寸以抵抗交叉軸線Y軸轉矩。類似地，要求有沿Y軸的轉矩以生成沿Y軸的運動ωy的角速率，這導致了交叉軸線X軸轉矩(參見本文等式1)。交叉軸線致動器(其在該示例中是X軸致動器)被確定尺寸以抵抗交叉軸線X軸轉矩。在一個方面，致動器315X、315Y被確定尺寸以提供等于萬向節平臺126的角速度矢量和動量輪125的角動量矢量H的叉積的轉矩水平。在一個方面，致動器315X、315Y是語音線圈/線性致動器，而在其他方面，致動器315X、315Y是有限行程旋轉致動器，例如齒輪驅動直流致動器(例如，齒輪式旋轉驅動器)、滾珠螺旋致動器、步進馬達致動器或能夠沿著相應X軸和Y軸樞轉可移動部分310的其他線性/旋轉驅動系統。可移動部分310包括驅動馬達330，動量輪125被安裝到驅動馬達330以圍繞Z軸旋轉。由每個動量輪125施加在交通工具100上的沿X軸和Y軸的轉矩Tx、Ty可以由通過以下等式限定，其為了清楚起見忽略了二階項：Tx＝ωyXH[1]其中H是相應動量輪125的角動量矢量。從上述等式可以看出，由每個動量輪125施加在交通工具100上的轉矩是運動ωx、ωy的萬向節平臺126角速率的函數。還參考圖3B和圖4，在一個方面，兩個動量輪平臺121A、121B以背靠背構形布置在交通工具100內以便提供。在一個方面，背靠背構形是例如沿著交通工具100的公用軸線(如Z軸)彼此并排或成一直線。在一個方面，凈零動量是當動量輪處于標稱萬向節角度θ時兩個動量輪平臺121A、121B的角動量矢量H相等且相反并且被布置成與例如交通工具的Z軸平行的情況。在其他方面，超過兩個動量輪平臺121A-121n被布置在交通工具100內以提供凈零動量，其中動量輪平臺以相反成對的方式對準，以使得每對沿著相對于交通工具框架旋轉的任一軸線對準，但是該對自身內的每個動量輪平臺彼此對準。對于動量輪平臺121A-121n(例如兩個動量輪平臺121A-121B)的相等且相反的速率，施加在車輛100上的轉矩Tx、Ty變成：其中凈動量矢量為：在圖4所示的構型中(例如，兩個動量輪平臺121A、121B以背靠背的構型布置在交通工具100內)，兩個動量輪121A、121B提供沿著X軸和Y軸的高轉矩。但是，通過動量輪平臺121A-121n的空間位置變化誘發交通工具100的動量變化的動量輪平臺121A-121n的動量能力被萬向節平臺126的角行程(例如角度θ)限制。參考圖1和圖4，第二姿態控制模塊130是無推進物姿態控制模塊，其包含反作用輪組件131。反作用輪組件131包含一個或多個反作用輪132A-132m和被配置為確定每個反作用輪132A-132m的旋轉速率的一個或多個傳感器135。在一個方面，反作用輪組件131包含四個反作用輪132A-132D，但在其他方面，反作用輪組件131包含多于或少于四個反作用輪。在一個方面，反作用輪132A-132m的數量不同于動量輪121A-121n的數量，而在其他方面，在采用多對動量輪121A-121n的情況下，反作用輪132A-132m的數量可以等于動量輪121A-121n的數量。在這方面，反作用輪132A-132D在交通工具100內被定向為使得反作用輪132A-132D的軸線和轉矩矢量T1-T4朝向反作用輪組件坐標系RWC的Z軸翻轉或成一角度，在一個方面，該反作用輪組件坐標系RWC與交通工具坐標系VC是一致的。由反作用輪組件131沿著Z軸施加的轉矩取決于相應的反作用輪132A-132D朝向Z軸翻轉的角度α。沿著反作用輪組件坐標系RWC(以及交通工具100，其中交通工具坐標系VC與反作用輪組件坐標系RWC一致)的X軸和Y軸的轉矩對反作用輪組件較不敏感，因為由反作用輪組件131施加在交通工具100上的增益由X軸和Y軸兩者共享。在一個方面，對于掃描單個軸線的雙敏捷度姿態控制系統110，反作用輪協調系統RWC的Z軸用交通工具100的掃描軸線(例如，Z軸)來定向，并且反作用輪132A-132m的尺寸和數量以及它們的角度α基于例如交通工具110的敏捷度要求來確定。對于在多于一個軸線上掃描(例如在兩個軸線上掃描)的雙敏捷度姿態控制系統110，反作用輪組件131的X軸和Y軸沿著交通工具100的掃描軸線布置，并且反作用輪132A-132m的尺寸和數量以及它們的角度α基于例如交通工具110的敏捷度要求來確定。再次參考圖1和圖2，根據所公開實施例的一個方面，第一姿態控制模塊120被設定尺寸以在第一感興趣區域200、第二感興趣區域210、……、第n個感興趣區域內(例如，為了在小角度觀測場內的點P1-P3、P4-P6之間移動車輛而要求高橫向角加速度/高敏捷度的區域)提供交通工具100的預定加速度。在一個方面，第二姿態控制模塊130被設定尺寸以便提供交通工具100在設置于第一感興趣區域200、第二感興趣區域210、……、第n個感興趣區域之間的適中敏捷度區域內的預定加速度，以便以減小的敏捷度在多達三個軸線上移動交通工具100通過大角度，從而在感興趣區域200、210之間重新定位并重新定向交通工具100。如上所述，在一個方面，反作用輪組件131在交通工具100內被定向以使得反作用輪坐標系RWC的Z軸與交通工具坐標系VC一致(或者，例如動量輪125自旋時所沿著的軸線)，其中反作用輪組件131滿足用于在感興趣區域200、210之間重新定向交通工具100的交通工具100的預定敏捷度，并且反作用輪組件131的橫向速率能力減小了對萬向節平臺126的大角度行程的需要。雖然如本文所述在一個方面通過第一姿態控制模塊120和第二姿態控制模塊130的獨立操作來控制交通工具100，但是在其他方面，第一姿態控制模塊120和第二姿態控制模塊130被同時操作以控制交通工具100。例如，第二姿態控制模塊130一般具有比第一姿態控制模塊120更低的橫向加速度能力，但是第二姿態控制模塊130通常足夠大以提供除了第一姿態控制模塊120提供的有益橫向加速度之外的有益橫向加速度。在一個方面，第一姿態控制模塊的高敏捷度萬向節平臺126提供高加速度，但是在一個方面，在實現最大運動速率時第二姿態控制模塊130提供更好的性能。作為一個示例，第一姿態控制模塊120被單獨使用或者與第二姿態控制模塊130組合使用以用于交通工具100的加速度限制的扭轉或運動，其中沒有實現最大運動速率。在一個方面，第二姿態控制模塊130獨自或結合第一姿態控制模塊120提供沿著垂直于兩個萬向節平臺軸線的軸線的適中敏捷度(加速度)。在一個方面，只要角度α(見圖5)不是90°，則為垂直軸線進行尺寸設計的第二姿態控制模塊130就提供沿萬向節平臺126的兩個軸線(例如在該示例中是X軸和Y軸)的剩余控制能力。在一個方面，第一姿態控制模塊120提供沿著萬向節平臺126的兩個軸線的敏捷度(例如加速度)能力，而第二姿態控制模塊130在萬向節平臺126的兩個軸線上的剩余控制能力減小了對第一姿態控制模塊120的姿態控制要求。在第一姿態控制模塊120包含動量輪平臺并且動量輪軸線沿著例如交通工具的Z軸(或任一其他軸線)對準的一個方面，第二姿態控制模塊130被設定尺寸以提供交通工具沿著Z軸或例如動量輪對準的軸線的必要敏捷度。參考圖1和圖4-8，控制器模塊140被配置為例如在例如控制器101的命令700下或者由遠程陸基控制通過第一姿態控制模塊120和第二姿態控制模塊130的組合來控制交通工具100(圖8，方框800)。控制器模塊140控制第一姿態控制模塊120和第二姿態控制模塊130以沿著交通工具100的三個軸線X、Y、Z中的至少一個軸線旋轉或定向交通工具100。在一個方面，命令交通工具轉矩τxcmd、τycmd、τzcmd由控制器模塊140的處理器141根據來自控制器101的命令700生成(圖8，方框810)。控制器模塊140根據分級分布法則/方案來控制第一姿態控制模塊120和第二姿態控制模塊130，其中到各個致動器(例如，各個反作用輪132A-132m和各個動量輪平臺121A-121n)的命令交通工具轉矩τxcmd、τycmd、τzcmd的轉矩分布710是分級的(圖8，方框820)。例如，控制器模塊140提供第一姿態控制模塊120和第二姿態控制模塊130之間的命令交通工具轉矩τxcmd、τycmd、τzcmd的時變分布。這種時變分布是依賴應用的，其中例如在一個方面，第一姿態控制模塊120優先用于上述小角度高敏捷度區域(例如，第一姿態控制模塊120相對于第二姿態控制模塊130提供更高的交通工具加速度以將交通工具100加速到最大預定速率或以便重新定向)。在一個方面，對于反作用輪組件131交通工具轉矩子分布，控制器模塊140將命令交通工具轉矩Tcmd(包含轉矩分量τxcmd、τycmd、τzcmd)分配給每個反作用輪作為例如反作用輪轉矩命令τRWA1、τRWA2、……τRWAn。在一個方面，控制器模塊140使用例如恒定最小歐幾里得范數L2分布和零空間操縱(例如，其中交通工具100上沒有凈控制轉矩)和最大值范數L∞動量包絡面從屬分布的最小化中的一個或多個來分配命令交通工具轉矩Tcmd以產生預定凈反作用輪應用轉矩TRWA(包含分量τxcmd、τycmd、ττzcmd)。示例反作用輪系統被描述在Markley等人，MaximumTorqueandMomentumEnvelopesforReactionWheelArrays，AIAAGuidance，Navigation，andControlConference10-13August2009，Chicago，Illinois中。在其他方面，反作用輪組件131交通工具轉矩子分布可以以任何預定方式提供。在一個方面，對于動量輪組件129交通工具轉矩子分布，控制器模塊140將命令交通工具轉矩Tcmd分配成用于每對動量輪平臺121A-121n的速率命令例如，在存在兩個動量輪平臺121A、121B時，控制器模塊140將命令交通工具轉矩Tcmd分配成兩個(例如，每個動量輪平臺一個)兩軸萬向節角速率命令。在一個方面，參考圖6，命令交通工具轉矩Tcmd由如下公式定義，例如：TxTyTz=02cosθ2H-2cosθ1Hcosθ2H2sinθ1Hsinθ2H00θ·1θ·2---[6]]]>由此速率命令可以確定如下：θ·1θ·2=02cosθ2H-2cosθ1Hcosθ2H2sinθ1Hsinθ2H-1TxTy---[7]]]>在一個方面，應注意到，在等式[6]和[7]中每個萬向節平臺126的角度θ1是相等且相反的。類似地，應注意到，在等式[6]和[7]中每個萬向節平臺126的角度θ2是相等且相反的。在其他方面，角度θ1和θ2可以分別是相互不同的。應注意到，在此提供的等式是示例性的，并且在不偏離本發明的各個方面的情況下，等式[6]和[7]中的轉矩/速率命令可以用類似的等式以類似的方式推導出。在一個方面，每個萬向節平臺126包含將兩軸萬向節角速率命令轉換成兩軸萬向節轉矩命令的控制器126C，所述兩軸萬向節轉矩命令隨后被轉換成等同的萬向節平臺126致動器315X、315Y力F1、F2、F3、F4以便生成凈動量輪應用轉矩TMWA(包含分量τxMWA、τyMWA、τzMWA)。仍然參考圖1和圖4-7，凈反作用輪應用轉矩TRWA和凈動量輪應用轉矩TMWA被加到一起以產生應用交通工具轉矩T(包含分量τx、τy、τz)(圖8、方框830)，所述應用交通工具轉矩T被應用到交通工具100時(圖8，方框840)產生交通工具運動速率和交通工具姿態變化。在一個方面，動量輪組件129提供零動量操縱增量給錐體反作用輪組件131。例如，在一個方面，動量輪組件129被確定尺寸以針對給定的交通工具運動速率向由反作用輪組件131提供的操縱提供最大化增量，與自身提供給定的交通工具運動速率的反作用輪組件相比，該尺寸允許更小的反作用輪組件131。在其他方面，與自身提供給定的交通工具運動速率的反作用輪組件相比，動量輪組件129被設定尺寸以針對給定的反作用輪組件131構型(例如，反作用輪的尺寸、布置和/或數量)提供最大化的交通工具運動速率。在另一方面，控制器101和控制器模塊140中的一個或多個控制第一姿態控制模塊120和第二姿態控制模塊130，以使反作用輪組件131內積累的動量被動量輪組件129稀釋(如，吸收)，從而當反作用輪自旋的角速度處于或接近最大速度時允許反作用輪自旋的角速度被減小。在一個方面，動量輪組件129可以用作動量存儲設備，其中動量可以被轉移到交通工具以及從交通工具轉移。在其他方面，動量也可以被轉移到反作用輪組件131以及從反作用輪組件131轉移。在一個方面，交通工具100包含用于感測和估計交通工具運動速率以及交通工具姿態的一個或多個姿態傳感器715。在一個方面，一個或多個姿態傳感器715包含用于估計交通工具運動速率和交通工具姿態的處理器701，而在其他方面，控制器101和控制器模塊140中的一個或多個從用于估計交通工具運動速率和交通工具姿態的傳感器接收信號。控制器101和控制器模塊140(例如，控制器模塊140的處理器141)中的一個或多個接收傳感器信號或者估計的交通工具運動速率和交通工具姿態以便例如在控制環路內進一步生成轉矩命令，直到交通工具100達到期望的運動速率和/或交通工具姿態。為了生成期望的運動速率和/或將交通工具100定位在預定的姿態，控制器模塊140在一個方面組合地控制第一姿態控制模塊120和第二姿態控制模塊130。在另一方面，控制器模塊140獨立地控制第一姿態控制模塊120和第二姿態控制模塊130，而在另外其他方面，控制器模塊140以預定的次序控制第一姿態控制模塊120和第二姿態控制模塊130。本公開和附圖描述了(多種)操作方法，在此所述的操作方法不應被解釋為必然確定了執行所述操作的次序。相反，雖然指示了一個說明性順序，但是應該理解在適當的時候操作次序可以被修改。因此，某些操作可以按不同的順序執行或同時執行。此外，在本公開的一些方面，不需要執行在此描述的所有操作。本公開的示例可以在圖9所示的航天器制造和維護方法900以及圖10所示的航天器1002的背景中描述。在預生產過程中，說明性方法900可以包括航天器1002的規格和設計904以及材料采購906。在生產過程中，進行航天器1102的部件和子組件制造908以及系統集成910。其后，航天器1002可以經過認證和交付912，以便投入使用914。當被客戶使用時，航天器1002可以定期進行例行維修和維護916(其也可以包括修改、重新配置、翻新等等)。說明性方法900的每一個過程可以由系統集成商、第三方和/或操作者(例如，客戶)執行或實施。出于本說明書的目的，系統集成商可以包括但不局限于任何數量的飛行器制造商和主系統分包商；第三方可以包括但不局限于任何數量的銷售商、分包商和供應商；并且操作者可以是航空公司、租賃公司、軍事實體、服務組織等。如圖10所示，通過說明性方法900生產的航天器1002可以包括具有多個高級系統和內部1022的機身1018。分布于整個航天器的高級系統的示例包括推進系統1024、電力系統1026、液壓系統1028以及環境系統1030中的一個或多個。可以包括任何數量的其它系統。盡管示出了航天示例，但本發明的原理可以應用于其它行業，如海運業。可以在制造和維護方法900的任何一個或多個階段中采用本文示出或描述的系統和方法。例如，可以以類似于在航天器1002使用時生產部件或子組件的方式，加工或制造對應于部件和子組件制造908的部件或子組件。另外，例如，通過大大地加速航天器1002的組裝或降低航天器1002的成本，可以在生產狀態908和910期間利用系統、方法或其組合的一個或多個方面。類似地，例如但不限于當航天器1002投入使用時，例如，運行、維修和維護1116時，可以利用系統或方法實施方式或其組合的一個或多個方面。進一步地，本公開包括根據以下條款所述的示例：條款1.一種雙級交通工具姿態控制系統，其包括：第一姿態控制模塊，其具有被布置以提供零動量交通工具姿態控制的至少兩個動量輪，每個動量輪包括使所述動量輪沿著所述交通工具的三個軸線中的兩個軸線樞轉的有限行程兩軸萬向節；第二姿態控制模塊，其具有以錐體構型布置的反作用輪以沿著與所述至少兩個動量輪的控制軸線共用的至少一個控制軸線提供交通工具姿態控制；以及控制器，其被連接到所述第一姿態控制模塊和所述第二姿態控制模塊，所述控制器被配置為協調第一姿態控制模塊和第二姿態控制模塊的致動以使交通工具在交通工具的三個軸線中的至少一個軸線上旋轉。條款2.根據條款1所述的雙級交通工具姿態控制系統，其中所述控制器被配置為組合地致動第一姿態控制模塊和第二姿態控制模塊。條款3.根據條款1所述的雙級交通工具姿態控制系統，其中所述控制器被配置為獨立地致動第一姿態控制模塊和第二姿態控制模塊。條款4.根據條款1所述的雙級交通工具姿態控制系統，其中所述控制器被配置為以預定次序致動第一姿態控制模塊和第二姿態控制模塊。條款5.根據條款1所述的雙級交通工具姿態控制系統，其中至少兩個動量輪被布置成沿著交通工具的三個軸線中的至少兩個軸線提供零動量交通工具姿態控制。條款6.根據條款1所述的雙級交通工具姿態控制系統，其中所述的有限行程兩軸萬向節包括至少兩個致動器、動量輪平臺和基座，所述動量輪被安裝到所述動量輪平臺并且所述至少兩個致動器提供所述動量輪平臺與所述基座之間的相對運動，所述行程受限萬向節的行程被所述至少兩個致動器的行程量和所述基座的限制結構中的一個或多個限制。條款7.根據條款6所述的雙級交通工具姿態控制系統，其中至少兩個致動器被設定尺度根據大小設計以提供基本等于有限行程兩軸萬向節的角速度矢量和動量輪的角動量矢量的叉積的轉矩水平。條款8.根據條款1所述的雙級交通工具姿態控制系統，其中至少兩個動量輪中的每個動量輪的角動量矢量被沿著交通工具的共用軸線布置，并且所述錐體構型通過朝向交通工具的共用軸線翻轉的所述反作用輪來定向。條款9.根據條款1所述的雙級交通工具姿態控制系統，其中與至少兩個動量輪的控制軸線共用的至少一個控制軸線是交通工具的掃描軸線。條款10.一種用于控制交通工具的姿態的方法，所述方法包括：控制第一姿態控制模塊和第二姿態控制模塊的致動以使交通工具在交通工具的三個軸線中的至少一個軸線上旋轉，其中控制第一姿態控制模塊的致動包含使用有限行程兩軸萬向節使每個動量輪沿著交通工具的三個軸線中的兩個軸線樞轉；并且其中第一姿態控制模塊是以第一敏捷度水平提供零動量交通工具姿態控制的動量輪模塊并且第二姿態控制模塊是以第二敏捷度水平沿著與動量輪的控制軸線共用的至少一個控制軸線提供交通工具姿態控制的錐體反作用輪模塊，其中第一敏捷度水平大于第二敏捷度水平。條款11.根據條款10所述的方法，其中根據定向所述交通工具所需要的預定角加速度速率來分級協調第一姿態控制模塊和第二姿態控制模塊的致動。條款12.根據條款10所述的方法，其中第一姿態控制模塊和第二姿態控制模塊被組合地控制。條款13.根據條款10所述的方法，其中第一姿態控制模塊和第二姿態控制模塊被獨立地控制。條款14.根據條款10所述的方法，其中第一姿態控制模塊和第二姿態控制模塊被以預定次序控制。條款15.根據條款10所述的方法，其中動量輪模塊中的每個動量輪的角動量矢量沿著交通工具的掃描軸線布置，并且錐體反作用輪模塊中的每個反作用輪朝向交通工具的掃描軸線翻轉。條款16.根據條款10所述的方法，其中控制第一姿態控制模塊和第二姿態控制模塊的致動實現第一角加速度水平以在第一角度觀測場內的點之間移動交通工具，并且實現第二角加速度水平以將交通工具定向到不同于第一角度觀測場的第二角度觀測場，其中第二角加速度水平小于第一角加速度水平。條款17.根據條款16所述的方法，其中所述第二角加速度水平提供交通工具的多達三個軸向運動，并且第一角加速度水平提供交通工具的兩個軸向運動。條款18.一種雙級交通工具姿態控制系統，其包括：第一姿態控制模塊，其具有被布置以提供零動量交通工具姿態控制的至少兩個動量輪，每個動量輪包括使動量輪沿著交通工具的三個軸線中的兩個軸線樞轉的有限行程兩軸萬向節；第二姿態控制模塊，其具有以錐體構型布置的反作用輪以沿著與至少兩個動量輪的控制軸線共用的至少一個控制軸線提供交通工具姿態控制；以及控制器，其被連接到第一姿態控制模塊和第二姿態控制模塊，所述控制器被配置為協調第一姿態控制模塊和第二姿態控制模塊的致動以便使交通工具在交通工具的三個軸線中的至少一個軸線上旋轉，從而所述至少兩個動量輪提供零動量操縱增量給反作用輪。條款19.根據條款18所述的雙級交通工具姿態控制系統，其中所述控制器被配置為組合地致動第一姿態控制模塊和第二姿態控制模塊。條款20.根據條款18所述的雙級交通工具姿態控制系統，其中所述控制器被配置為獨立地致動第一姿態控制模塊和第二姿態控制模塊。條款21.根據條款18所述的雙級交通工具姿態控制系統，其中所述控制器被配置為以預定次序致動第一姿態控制模塊和第二姿態控制模塊。條款22.根據條款18所述的雙級交通工具姿態控制系統，其中所述有限行程兩軸萬向節包括至少兩個致動器、動量輪平臺以及基座，所述動量輪被安裝到動量輪基座并且所述至少兩個致動器提供動量輪平臺與基座之間的相對運動，所述有限行程萬向節的行程被所述至少兩個致動器提供的行程量和所述基座的限制結構中的一個或多個限制。條款23.根據條款22所述的雙級交通工具姿態控制系統，其中所述至少兩個致動器被設定尺寸以提供基本等于有限行程兩軸萬向節的角速度矢量和動量輪的角動量矢量的叉積的轉矩水平。條款24.根據條款18所述的雙級交通工具姿態控制系統，其中每個所述動量輪的角動量矢量沿著交通工具的掃描軸線布置，并且所述錐體構型通過朝向交通工具的掃描軸線翻轉的反作用輪來定向。在此公開了系統和方法的不同示例和方面，其包含各種部件、特征以及功能。應該理解，在此公開的系統和方法的各個示例和方面可以包含在此公開的系統和方法的其他示例和方面的任何組合的任一部件、特征以及功能，并且所有的此類可能性都在本公開的精神和范圍之內。得益于以上描述和附圖中所呈現的教導的本公開所屬領域內的技術人員將可以想到本文闡述的本公開的許多修改和其他示例。根據本公開的一個或多個方面，一種雙級交通工具姿態控制系統包含：第一姿態控制模塊，其具有被布置以提供零動量交通工具姿態控制的至少兩個動量輪，每個動量輪包括有限行程兩軸萬向節；第二姿態控制模塊，其具有以錐體構型布置的反作用輪以沿著與至少兩個動量輪的控制軸線共用的至少一個控制軸線提供交通工具姿態控制；以及控制器，其被連接到第一姿態控制模塊和第二姿態控制模塊，所述控制器被配置為協調第一姿態控制模塊和第二姿態控制模塊的致動以使交通工具在交通工具的三個軸線的至少一個軸線上旋轉。根據本公開的一個或多個方面，所述控制器被配置為組合地致動第一姿態控制模塊和第二姿態控制模塊。根據本公開的一個或多個方面，所述控制器被配置為獨立地致動第一姿態控制模塊和第二姿態控制模塊。根據本公開的一個或多個方面，所述控制器被配置為以預定次序致動第一姿態控制模塊和第二姿態控制模塊。根據本公開的一個或多個方面，至少兩個動量輪被布置以沿著交通工具的三個軸線的至少兩個軸線提供零動量交通工具姿態控制。根據本公開的一個或多個方面，所述有限行程兩軸萬向節包括至少兩個致動器、動量輪平臺和基座，所述動量輪被安裝到動量輪平臺并且所述至少兩個致動器提供動量輪平臺與基座之間的相對運動，所述有限行程萬向節的行程被至少兩個致動器的行程量和基座的限制結構中的一個或多個限制。根據本公開的一個或多個方面，至少兩個致動器被設定尺寸以提供基本等于有限行程兩軸萬向節的角速度矢量和動量輪的角動量矢量的叉積的轉矩水平。根據本公開的一個或多個方面，所述至少兩個動量輪中的每個動量輪的角動量矢量沿著交通工具的共用軸線布置，并且所述錐體構型通過朝向交通工具的共用軸線翻轉的反作用輪來定向。根據本公開的一個或多個方面，與至少兩個動量輪的控制軸線共用的至少一個控制軸線是交通工具的掃描軸線。根據本公開的一個或多個方面，一種用于控制交通工具的姿態的方法包括：控制第一姿態控制模塊和第二姿態控制模塊的致動以使交通工具在交通工具的三個軸線的至少一個軸線上旋轉，其中控制第一姿態控制模塊的致動包含通過有限行程兩軸萬向節使每個動量輪沿著交通工具的三個軸線中的兩個軸線樞轉；并且其中第一姿態控制模塊是以第一敏捷度水平提供零動量交通工具姿態控制的動量輪模塊，并且第二姿態控制模塊是以第二敏捷度水平沿著與動量輪的控制軸線共用的至少一個控制軸線提供交通工具姿態控制的錐體反作用輪模塊，其中第一敏捷度水平大于第二敏捷度水平。根據本公開的一個或多個方面，根據定向交通工具所需要的預定角加速度速率來分級協調第一姿態控制模塊和第二姿態控制模塊的致動。根據本公開的一個或多個方面，第一姿態控制模塊和第二姿態控制模塊被組合地控制。根據本公開的一個或多個方面，所述第一姿態控制模塊和所述第二姿態控制模塊被獨立地控制。根據本公開的一個或多個方面，第一姿態控制模塊和第二姿態控制模塊被以預定次序控制。根據本公開的一個或多個方面，控制第一姿態控制模塊的致動包含通過有限行程兩軸萬向節使每個動量輪沿著交通工具的三個軸線中的兩個軸線樞轉。根據本公開的一個或多個方面，動量輪模塊中的每個動量輪的角動量矢量沿著交通工具的掃描軸線布置，并且錐體反作用輪模塊的每個反作用輪朝向交通工具的掃描軸線翻轉。根據本公開的一個或多個方面，控制第一姿態控制模塊和第二姿態控制模塊的致動實現第一角加速度水平以在第一角度觀測場內的點之間移動交通工具，并且實現第二角加速度水平以將交通工具定向到不同于第一角度觀測場的第二角度觀測場，其中第二角加速度水平小于第一角加速度水平。根據本公開的一個或多個方面，第二角加速度水平提供交通工具的多達三個軸向運動，并且第一角加速度水平提供交通工具的兩個軸向運動。根據本公開的一個或多個方面，一種雙級交通工具姿態控制系統包括：第一姿態控制模塊，其具有被布置以提供零動量交通工具姿態控制的至少兩個動量輪，每個動量輪包括使動量輪沿著交通工具的三個軸線中的兩個軸線樞轉的有限行程兩軸萬向節；第二姿態控制模塊，其具有以錐體構型布置的反作用輪以沿著與至少兩個動量輪的控制軸線共用的至少一個控制軸線提供交通工具姿態控制；以及控制器，其被連接到第一姿態控制模塊和第二姿態控制模塊，所述控制器被配置為協調第一姿態控制模塊和第二姿態控制模塊的致動以便使交通工具在交通工具的三個軸線的至少一個軸線上旋轉，從而至少兩個動量輪提供零動量操縱增量給反作用輪。根據本公開的一個或多個方面，所述控制器被配置為組合地致動第一姿態控制模塊和第二姿態控制模塊。根據本公開的一個或多個方面，所述控制器被配置為獨立地致動第一姿態控制模塊和第二姿態控制模塊。根據本公開的一個或多個方面，所述控制器被配置為以預定次序致動第一姿態控制模塊和第二姿態控制模塊。根據本公開的一個或多個方面，有限行程兩軸萬向節包括至少兩個致動器、動量輪平臺以及基座，所述動量輪被安裝到動量輪平臺并且所述至少兩個致動器提供動量輪平臺與基座之間的相對運動，所述有限行程萬向節的行程被至少兩個致動器提供的行程量和基座的限制結構中的一個或多個限制。根據本公開的一個或多個方面，至少兩個致動器被設定尺寸以提供基本等于有限行程兩軸萬向節的角速度矢量和動量輪的角動量矢量的叉積的轉矩水平。根據本公開的一個或多個方面，每個所述動量輪的角動量矢量沿著交通工具的掃描軸線布置，并且所述錐體構型通過朝向交通工具的掃描軸線翻轉的反作用輪來定向。因此，應理解的是，本公開不局限于所公開的具體實施例，并且修改和其他實施例旨在包含于所附權利要求的范圍內。而且，盡管前述說明書和相關附圖在元件和/或功能的某些說明性組合的背景內描述了示例實施例，但是應該意識到，在不離開所附權利要求書的范圍的情況下，元件和/或功能的不同組合可以由替換實施方式提供。當前第1頁1 2 3