臂式空間天文望遠鏡的慣性指向控制方法及控制系統的制作方法
【專利摘要】臂式空間天文望遠鏡的慣性指向控制方法及控制系統，涉及工業自動化領域，解決了現有臂式空間天文望遠鏡慣性指向的控制方法存在的慣性指向控制精度低的問題。該控制系統包括控制器；與控制器電連接的望遠鏡慣性位置傳感器；與控制器電連接且與旋轉關節個數相等的關節位置傳感器、電機驅動電路、電機電流傳感器和關節慣性速度傳感器；每個旋轉關節上均固定有一個關節電機，同一個旋轉關節上的關節電機和關節位置傳感器之間為機械連接，每個關節電機分別與一個電機驅動電路和一個電機電流傳感器電連接。依據臂式空間天文望遠鏡的動力學模型設計控制算法和完成非線性項的補償，通過關節慣性速度傳感器實現每個關節的閉環反饋，提高慣性指向控制精度。
【專利說明】臂式空間天文望遠鏡的慣性指向控制方法及控制系統
【技術領域】
[0001] 本發明涉及工業自動化【技術領域】，具體涉及一種臂式空間天文望遠鏡的慣性指向 控制方法及控制系統。
【背景技術】
[0002] 空間天文望遠鏡搭載于衛星或飛船等空間飛行器上完成對宇宙天體的拍攝任務， 是天文學所需的一種極為重要的探測儀器。為實現高清晰天體成像，一般要求空間天文望 遠鏡具有較高精度的慣性指向能力。臂式空間天文望遠鏡一般包括空間天文望遠鏡2和臂 式機構，其中臂式機構由多個旋轉關節4串聯組成，臂式機構一端安裝于空間飛行器1上， 另一端安裝于空間天文望遠鏡2上。在臂式空間天文望遠鏡的天文觀測過程中，通過控制 臂式機構的多個旋轉關節4運動，從而使得空間天文望遠鏡2完成在慣性系下三個旋轉自 由度方向（俯仰、橫滾和偏航）的慣性指向。
[0003] 目前臂式空間天文望遠鏡慣性指向的控制方法主要是將每一個旋轉自由度分別 按照互相之間無關聯的單輸入單輸出線性控制系統來處理，采用古典控制理論中的頻域分 析方法完成控制系統設計。上述的現有臂式空間天文望遠鏡的慣性指向控制方法存在以下 幾方面會導致慣性指向控制精度下降的因素：
[0004] 1)由于臂式空間天文望遠鏡實質上是互相耦合的多輸入多輸出非線性控制系統， 設計控制系統時所參考的模型的不確切會導致慣性指向控制精度下降；
[0005] 2)由于現有方法很少考慮摩擦和執行器的非線性擾動等因素的影響，由于一般情 況下，臂式空間天文望遠鏡慣性指向系統多為低速控制系統，摩擦等非線性擾動會嚴重影 響慣性指向控制精度；
[0006] 3)現有方法的轉速環不具有慣性穩定能力，因此對空間飛行器傳遞至空間天文望 遠鏡的振動抑制能力較弱，也將使得慣性指向控制精度下降。
[0007] 因此亟需一種能夠針對互相耦合多輸入多輸出非線性系統、在摩擦等非線性擾動 以及空間飛行器振動影響下實現臂式空間天文望遠鏡高精度慣性指向的控制方法及控制 系統。
【發明內容】
[0008] 為了解決現有臂式空間天文望遠鏡慣性指向的控制方法存在的慣性指向控制精 度低的問題，本發明提供一種臂式空間天文望遠鏡的慣性指向控制方法及控制系統。本發 明的臂式空間天文望遠鏡的慣性指向控制方法可以削弱互相耦合多輸入多輸出非線性系 統、摩擦等非線性擾動以及空間飛行器振動對控制系統存在的不利影響，提高臂式空間天 文望遠鏡的慣性指向控制精度。
[0009] 本發明為解決技術問題所采用的技術方案如下：
[0010] 本發明的臂式空間天文望遠鏡的慣性指向控制方法，該方法是將臂式空間天文望 遠鏡的慣性指向控制系統安裝在臂式空間天文望遠鏡和空間飛行器上，對臂式空間天文望 遠鏡的慣性指向進行自動控制，該方法的條件和步驟如下：
[0011] a、依據事先經過分析或試驗得到的臂式空間天文望遠鏡的包含非線性因素的動 力學模型，采用反饋線性化方法，得到分別對應于每個旋轉關節的單輸入單輸出線性化模 型和非線性補償力矩；
[0012] b、依據每個旋轉關節的單輸入單輸出線性化模型設計完成每個旋轉關節的電流 環控制算法、速度環控制算法和位置環控制算法，將這三個控制算法和步驟a中得到的每 個旋轉關節的非線性補償力矩存儲于控制器中；
[0013] c、控制器接收來自于空間飛行器的期望慣性姿態指令信號，包括俯仰、橫滾和偏 航三個旋轉自由度的期望角度值，望遠鏡慣性位置傳感器實時測量空間天文望遠鏡光軸的 實際慣性姿態信號，采用卡爾曼濾波算法對空間天文望遠鏡光軸的實際慣性姿態信號進行 計算得到更加精確的慣性姿態信號，包括俯仰、橫滾和偏航三個旋轉自由度的角度值；
[0014] d、在控制器中將期望慣性姿態指令信號與精確的慣性姿態信號相減，即將俯仰、 橫滾和偏航三個旋轉自由度的期望角度值分別減去各自對應自由度的角度值，得到空間天 文望遠鏡光軸的慣性姿態誤差；
[0015] e、每個關節位置傳感器實時測量得到對應的關節電機的旋轉角度信號，通過控制 器中的逆運動學計算模塊以空間天文望遠鏡光軸的慣性姿態誤差、關節電機的旋轉角度信 號作為輸入信號，經過旋轉矩陣計算得到對應的旋轉關節的關節角誤差值；
[0016] f、在控制器中將旋轉關節的關節角誤差值作為該旋轉關節的位置環控制算法的 控制輸入，經過計算得到每個旋轉關節速度環的控制輸入；
[0017] g、每個關節慣性速度傳感器實時測量得到對應的旋轉關節相對于慣性系的角速 度信號，在控制器中將旋轉關節速度環的控制輸入減去對應于該旋轉關節相對于慣性系的 角速度信號，得到每個旋轉關節的慣性角速度誤差值；
[0018] h、在控制器中將旋轉關節的慣性角速度誤差值作為該旋轉關節的速度環控制算 法的控制輸入，經過計算得到每個旋轉關節電流環的第一個控制輸入；
[0019] i、將步驟a中得到的旋轉關節的非線性補償力矩作為該旋轉關節電流環的第二 個控制輸入；
[0020] j、在控制器中將旋轉關節電流環的第一個控制輸入和第二控制輸入相加得到該 旋轉關節的電流環的總控制輸入；
[0021] k、電機電流傳感器實時測量得到每個關節電機的電流信號，每個旋轉關節的電流 環的總控制輸入減去對應于該旋轉關節的關節電機的電流信號，得到每個旋轉關節的電流 誤差；
[0022] 1、在控制器中將旋轉關節的電流誤差作為該旋轉關節的電流環控制算法的控制 輸入，經過計算得到關節電機的輸入電壓值；
[0023] m、將關節電機的輸入電壓施加于電機驅動電路，電機驅動電路產生驅動電壓信號 控制關節電機旋轉，同時通過關節電機控制旋轉關節旋轉，從而帶動空間天文望遠鏡運動 至期望慣性姿態。
[0024] 所述臂式空間天文望遠鏡的慣性指向控制系統，包括與空間飛行器電連接的控制 器；安裝在空間天文望遠鏡上且與控制器電連接的望遠鏡慣性位置傳感器；與控制器電連 接且與臂式空間天文望遠鏡中的旋轉關節個數相等的關節位置傳感器、電機驅動電路、電 機電流傳感器和關節慣性速度傳感器，每個旋轉關節上對應固定一個關節位置傳感器和一 個關節慣性速度傳感器；
[0025] 每個旋轉關節上均固定有一個關節電機，同一個旋轉關節上的關節電機和關節位 置傳感器之間為機械連接，每個關節電機分別與一個電機驅動電路和一個電機電流傳感器 電連接；
[0026] 所述控制器接收空間飛行器的期望慣性姿態指令信號，接收由關節位置傳感器測 量得到的關節電機的旋轉角度信號，接收由電機電流傳感器測量得到的關節電機的電流信 號，接收由關節慣性速度傳感器測量得到的旋轉關節相對于慣性系的角速度信號，接收由 望遠鏡慣性位置傳感器測量得到的空間天文望遠鏡光軸的實際慣性姿態信號，通過控制器 對接收到的信號進行分析計算得到控制信號發送給電機驅動電路，所述電機驅動電路接收 控制信號后產生驅動電壓信號控制關節電機旋轉，同時通過關節電機控制旋轉關節旋轉， 從而帶動空間天文望遠鏡運動至期望慣性姿態。
[0027] 當旋轉關節的數量為三個時，步驟a的具體過程為：
[0028] 采用拉格朗日方法，通過分析計算建立臂式空間天文望遠鏡的動力學模型，如式 (1)所示：
[0029]
【權利要求】
1.臂式空間天文望遠鏡的慣性指向控制方法，其特征在于，該方法是將臂式空間天文 望遠鏡的慣性指向控制系統安裝在臂式空間天文望遠鏡和空間飛行器（1)上，對臂式空間 天文望遠鏡的慣性指向進行自動控制，該方法的條件和步驟如下： a、 依據事先經過分析或試驗得到的臂式空間天文望遠鏡的包含非線性因素的動力學 模型，采用反饋線性化方法，得到分別對應于每個旋轉關節（4)的單輸入單輸出線性化模 型和非線性補償力矩； b、 依據每個旋轉關節（4)的單輸入單輸出線性化模型設計完成每個旋轉關節（4)的電 流環控制算法、速度環控制算法和位置環控制算法，將這三個控制算法和步驟a中得到的 每個旋轉關節（4)的非線性補償力矩存儲于控制器（3)中； c、 控制器（3)接收來自于空間飛行器（1)的期望慣性姿態指令信號，包括俯仰、橫滾和 偏航三個旋轉自由度的期望角度值，望遠鏡慣性位置傳感器（10)實時測量空間天文望遠 鏡（2)光軸的實際慣性姿態信號，采用卡爾曼濾波算法（11)對空間天文望遠鏡（2)光軸的 實際慣性姿態信號進行計算得到更加精確的慣性姿態信號，包括俯仰、橫滾和偏航三個旋 轉自由度的角度值； d、 在控制器（3)中將期望慣性姿態指令信號與精確的慣性姿態信號相減，即將俯仰、 橫滾和偏航三個旋轉自由度的期望角度值分別減去各自對應自由度的角度值，得到空間天 文望遠鏡（2)光軸的慣性姿態誤差； e、 每個關節位置傳感器（6)實時測量得到對應的關節電機（5)的旋轉角度信號，通過 控制器（3)中的逆運動學計算模塊（12)以空間天文望遠鏡（2)光軸的慣性姿態誤差、關節 電機（5)的旋轉角度信號作為輸入信號，經過旋轉矩陣計算得到對應的旋轉關節（4)的關 節角誤差值； f、 在控制器（3)中將旋轉關節（4)的關節角誤差值作為該旋轉關節（4)的位置環控制 算法（13)的控制輸入，經過計算得到每個旋轉關節（4)速度環的控制輸入； g、 每個關節慣性速度傳感器（9)實時測量得到對應的旋轉關節（4)相對于慣性系的角 速度信號，在控制器（3)中將旋轉關節（4)速度環的控制輸入減去對應于該旋轉關節（4) 相對于慣性系的角速度信號，得到每個旋轉關節（4)的慣性角速度誤差值； h、 在控制器（3)中將旋轉關節（4)的慣性角速度誤差值作為該旋轉關節（4)的速度環 控制算法（14)的控制輸入，經過計算得到每個旋轉關節（4)電流環的第一個控制輸入； i、 將步驟a中得到的旋轉關節（4)的非線性補償力矩作為該旋轉關節（4)電流環的第 二個控制輸入； j、 在控制器（3)中將旋轉關節（4)電流環的第一個控制輸入和第二控制輸入相加得到 該旋轉關節（4)的電流環的總控制輸入； k、 電機電流傳感器（8)實時測量得到每個關節電機（5)的電流信號，每個旋轉關節（4) 的電流環的總控制輸入減去對應于該旋轉關節（4)的關節電機（5)的電流信號，得到每個 旋轉關節（4)的電流誤差； l、 在控制器（3)中將旋轉關節（4)的電流誤差作為該旋轉關節（4)的電流環控制算法 (15)的控制輸入，經過計算得到關節電機（5)的輸入電壓值； m、 將關節電機（5)的輸入電壓施加于電機驅動電路（7)，電機驅動電路（7)產生驅動電 壓信號控制關節電機（5)旋轉，同時通過關節電機（5)控制旋轉關節（4)旋轉，從而帶動空 間天文望遠鏡（2)運動至期望慣性姿態。
2. 根據權利要求1所述的臂式空間天文望遠鏡的慣性指向控制方法，其特征在于，所 述臂式空間天文望遠鏡的慣性指向控制系統，包括與空間飛行器（1)電連接的控制器（3); 安裝在空間天文望遠鏡（2)上且與控制器（3)電連接的望遠鏡慣性位置傳感器（10);與控 制器（3)電連接且與臂式空間天文望遠鏡中的旋轉關節（4)個數相等的關節位置傳感器 (6) 、電機驅動電路（7)、電機電流傳感器（8)和關節慣性速度傳感器（9)，每個旋轉關節（4) 上對應固定一個關節位置傳感器（6)和一個關節慣性速度傳感器（9); 每個旋轉關節（4)上均固定有一個關節電機（5)，同一個旋轉關節（4)上的關節電機 (5)和關節位置傳感器（6)之間為機械連接，每個關節電機（5)分別與一個電機驅動電路 (7) 和一個電機電流傳感器⑶電連接； 所述控制器（3)接收空間飛行器（1)的期望慣性姿態指令信號，接收由關節位置傳感 器（6)測量得到的關節電機（5)的旋轉角度信號，接收由電機電流傳感器（8)測量得到的 關節電機（5)的電流信號，接收由關節慣性速度傳感器（9)測量得到的旋轉關節（4)相對 于慣性系的角速度信號，接收由望遠鏡慣性位置傳感器（10)測量得到的空間天文望遠鏡 (2)光軸的實際慣性姿態信號，通過控制器（3)對接收到的信號進行分析計算得到控制信 號發送給電機驅動電路（7)，所述電機驅動電路（7)接收控制信號后產生驅動電壓信號控 制關節電機（5)旋轉，同時通過關節電機（5)控制旋轉關節（4)旋轉，從而帶動空間天文望 遠鏡（2)運動至期望慣性姿態。
3. 根據權利要求1所述的臂式空間天文望遠鏡的慣性指向控制方法，其特征在于，當 旋轉關節（4)的數量為三個時，步驟a的具體過程為： 采用拉格朗日方法，通過分析計算建立臂式空間天文望遠鏡的動力學模型，如式（1) 所示：
式（1)中：ezte:e2e3]T為3X1的列矩陣，表示臂式空間天文望遠鏡的三個關 節角；M(0)為3X3的慣量矩陣；為3X3的矩陣，表示離心和哥氏力項；T= [1\ T2T3]t為3X1的列矩陣，表示臂式空間天文望遠鏡的三個關節電機（5)的輸出力矩；1\= [TuIY2TJt為3X1的列矩陣，表示臂式空間天文望遠鏡的三個非線性擾動力矩，采用 最小二乘方法通過系統辨識試驗得到，&為0對時間t的一階微分，#為0對時間t的二 階微分； 依據上述得到的臂式空間天文望遠鏡的動力學模型，采用反饋線性化方法設計三個關 節電機（5)的輸出力矩，如式⑵所示：
式⑵中，Ts=[TS1TS2TS3]t為3X1的列矩陣，表示需要計算的控制力矩，
將式⑵代入式⑴可得：
由此可知，臂式空間天文望遠鏡系統轉化為一個線性系統。
4.根據權利要求1所述的臂式空間天文望遠鏡的慣性指向控制方法，其特征在于，步 驟b的具體過程為： 關節電機（5)的簡化數學模型如式（4)所示：
式⑷中，下標1表示第1個旋轉關節⑷，U為關節電機（5)的輸入電壓，i為關節電 機（5)的電流，R為關節電機（5)的繞組電阻，L為關節電機（5)的繞組電感，KT為關節電機 (5)的力矩系數，電流環設計為PI控制器，電流環控制算法（15)為PI控制算法，如式（5) 所示：
式（5)中，下標1表示第1個旋轉關節⑷，id表示電流環控制算法的輸入值，KPjPKn 分別為電流環控制算法的比例系數和積分系數，關節電機（5)在電流環設計為較高帶寬閉 環系統時，由于速度環帶寬較低，對于速度環的設計，電流環閉環系統可以簡化為一個增益 為1的比例環節，即I\=KT1idl; 由此可知，電流環控制算法的輸入值為：
"為非線性補償力矩，第二項"Mn(e)Tsl/Kn"為速度環控制算法的輸出值，依據式（6)可以 消除非線性的影響； 速度環控制算法如式（7)所示：
式（7)中，KV1、TV1和TV2均為可調整的參數，可以依據開環和閉環幅頻特性曲線進行合 理調整，以保證靜態和動態特性； 位置環控制算法采用一階滯后-超前校正方法，如式（8)所示：
式（8)中，Kp1、TpJPTP2均為可調整的參數，可以依據開環和閉環幅頻特性曲線進行合 理調整，以保證靜態和動態特性。
5. 用于實現權利要求1所述的臂式空間天文望遠鏡的慣性指向控制方法的控制系統， 其特征在于，該系統包括： 與空間飛行器（1)電連接的控制器（3);安裝在空間天文望遠鏡（2)上且與控制器（3) 電連接的望遠鏡慣性位置傳感器（10);與控制器（3)電連接且與臂式空間天文望遠鏡中的 旋轉關節（4)個數相等的關節位置傳感器（6)、電機驅動電路（7)、電機電流傳感器（8)和 關節慣性速度傳感器（9)，每個旋轉關節（4)上對應固定一個關節位置傳感器（6)和一個關 節慣性速度傳感器（9); 每個旋轉關節（4)上均固定有一個關節電機（5)，同一個旋轉關節（4)上的關節電機 (5)和關節位置傳感器（6)之間為機械連接，每個關節電機（5)分別與一個電機驅動電路 (7)和一個電機電流傳感器⑶電連接； 所述控制器（3)接收空間飛行器（1)的期望慣性姿態指令信號，接收由關節位置傳感 器（6)測量得到的關節電機（5)的旋轉角度信號，接收由電機電流傳感器（8)測量得到的 關節電機（5)的電流信號，接收由關節慣性速度傳感器（9)測量得到的旋轉關節（4)相對 于慣性系的角速度信號，接收由望遠鏡慣性位置傳感器（10)測量得到的空間天文望遠鏡 (2)光軸的實際慣性姿態信號，通過控制器（3)對接收到的信號進行分析計算得到控制信 號發送給電機驅動電路（7)，所述電機驅動電路（7)接收控制信號后產生驅動電壓信號控 制關節電機（5)旋轉，同時通過關節電機（5)控制旋轉關節（4)旋轉，從而帶動空間天文望 遠鏡（2)運動至期望慣性姿態。
6. 根據權利要求5所述的臂式空間天文望遠鏡的慣性指向控制系統，其特征在于，所 述控制器（3)采用以DSP和FPGA為核心處理器的控制電路板。
7. 根據權利要求5所述的臂式空間天文望遠鏡的慣性指向控制系統，其特征在于，所 述關節電機（5)采用直流力矩電機；所述關節位置傳感器（6)采用絕對式光電編碼器。
8. 根據權利要求5所述的臂式空間天文望遠鏡的慣性指向控制系統，其特征在于，所 述電機驅動電路（7)采用集成PWM和H橋的電機驅動電路板。
9. 根據權利要求5所述的臂式空間天文望遠鏡的慣性指向控制系統，其特征在于，所 述電機電流傳感器（8)采用霍爾電流傳感器；所述關節慣性速度傳感器（9)采用光纖陀螺。
10. 根據權利要求5所述的臂式空間天文望遠鏡的慣性指向控制系統，其特征在于，所 述望遠鏡慣性位置傳感器（10)采用星敏感器和光纖陀螺組成的組合慣導系統。
【文檔編號】G05B19/19GK104483899SQ201410641627
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年11月12日 優先權日:2014年11月12日
【發明者】曹小濤, 王棟, 劉南南, 楊維帆 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所