转台-陀螺飞轮标定系统误差灵敏度分析方法

陀螺飞轮是一种适用于微小航天器的新型姿态测控一体化装置,利用转台对其进行多位置标定是提高其测量性能的主要途径。为保证标定精度,从陀螺飞轮标定原理和标定误差来源出发,全面考虑转台自身定位误差、轴线回转误差、垂直度误差、相交度误差、以及转台与陀螺飞轮间安装误差等因素的影响,基于多体系统理论推导了多误差因素作用下的误差传递机理,在此基础上,基于Sobol法分析了全局误差灵敏度,得到了各误差因素对标定基准量影响程度的定量分析结论,实现了关键误差溯源。分析结果为有针对性提升标定系统关键误差指标及标定试验的优化设计提供了理论依据。

陀螺飞轮信号的EMD/LPF混合去噪方法

为提高陀螺飞轮系统的标定与辨识精度进而保证姿态测量性能,对其信号去噪方法进行研究以便从复杂噪声中提取标定辨识所需的有用信息.首先基于噪声产生机理对陀螺飞轮信号的噪声特性进行分析.其次,在不影响信号低频特性的前提下,采用传统低通滤波(LPF)方法对信号进行预处理以抑制高频周期噪声.然后应用经验模态分解方法(EMD)对LPF预处理后的信号进行分解,根据信号和各模态分量的概率密度函数的相似性度量,给出一种模态判定准则.在此基础上,结合现有阈值滤波方法,提出一种EMD/LPF混合去噪方案.结果表明:所提出的基于相似性度量的模态判定准则在不同信噪比条件下均能够实现分界点的准确判定;将所研究的去噪方法分别应用于标准测试信号和陀螺飞轮实测信号;所提出的混合去噪方法相比于现有去噪方法更为有效.

陀螺飞轮动力学特征分析

陀螺飞轮因其系统实现的高集成度而具有体积小,质量轻等优点,已经被尝试应用于微小卫星的姿态控制中。建立了陀螺飞轮的线性动力学模型,并对此模型进行了零极点分析,得到了其与动力调谐陀螺不同的动力学特征,指明陀螺飞轮具有除进动和章动以外的两个特征频率,并利用挠性体力学分析软件ADAMS原理建模的仿真分析验证了解析模型的正确性,为陀螺飞轮在姿控系统中的运用提供了被控对象特征分析的基础。

一种基于电涡流传感器的陀螺飞轮两维摆角测量方法

提出了一种采用电涡流传感器来实现陀螺飞轮柔性支承转子两维摆角测量的方法,它可将摆角测量转换为距离测量;采用差动布置探头及相敏解调技术来提高测量信号的强度及线性度;采用双层探头形式来消除转子平动对摆角测量的影响.通过试验验证了这种摆角传感器具有良好的线性特性,其分辨率可达到0.02°.

陀螺飞轮转子的改进全矢动平衡方法及试验

陀螺飞轮转子的动不平衡会造成倾侧运动的抖动现象,降低航天器的指向稳定性与精度。为了实现各向异性下刚性转子偶不平衡辨识,提出一种改进全矢动平衡方法。根据拉格朗日方程建立陀螺飞轮转子动力学模型,使用复数法推导两轴倾侧角间的传递函数,分析陀螺飞轮转子内、外扭杆不等阻尼时两轴响应特性。考虑椭圆轨迹特征矢量相角与不平衡激励相角间的非线性关系,基于能量等效原理并利用椭圆正进动分量构造等效振矢,通过纯试重响应构造移相圆,给出基于等效振矢和移相圆的动平衡算法。在仿真中进行偶不平衡辨识,并在试验平台上完成偶不平衡的校正,数值分析和试验结果证明了所提方法的准确性和有效性。

磁悬浮陀螺飞轮用隐式洛伦兹力磁轴承

针对磁悬浮陀螺飞轮用显式洛伦兹力磁轴承气隙磁密均匀性差的问题,提出了一种磁钢内置的隐式洛伦兹力磁轴承,并采用三维有限元法对两种方案的气隙磁密进行比较分析。隐式方案的气隙磁密在周向和纵向的变化率分别为0.8%和8.4%,远优于显式方案的15.0%和23.7%。利用磁场分割法对隐式方案的磁阻进行了区域分割,采用积分法精确计算各区域磁阻,建立了磁轴承磁路数学模型,得到了影响偏转电流刚度的关键结构参数,并基于有限元法对隐式方案形状及结构参数进行详细优化。结果表明,在不恶化气隙磁密变化率的前提下,优化前后绕组区域的最大磁密和最小磁密分别从0.404T和0.368T增加至0.464T和0.427T,增幅为14.6%和16.0%。根据优化结果研制了一台隐式洛伦兹力磁轴承,并进行了气隙磁密和偏转电流刚度实验测试,测试结果与设计结果相符,对洛伦兹力磁轴承的设计具有重要意义。

高精度敏捷机动磁悬浮陀螺飞轮用新型隐式洛伦兹磁轴承(英文)

具有良好线性的度洛仑兹力型磁轴承适用于磁悬浮陀螺的高精度偏转控制。针对现有显式洛仑兹力型磁轴承磁通密度均匀性差的问题,本文提出了两种可以提高磁通密度均匀性新型隐式洛伦兹力磁轴承。介绍了3种洛伦兹力磁轴承的结构,基于等效磁路法建立了其数学模型,并采用有限元法对磁场进行了分析。仿真结果表明,隐式洛仑兹力型磁轴承的磁通密度均匀性优于传统显式洛仑兹力型磁轴承。此外,双磁路隐式梯形洛仑兹力磁轴承在磁通密度均匀性和磁通密度方面优于单磁路隐式洛仑兹力型磁轴承。本文进一步对双磁路隐式梯形洛仑兹力磁轴承的磁通密度进行实验验证,实验结果与仿真结果误差不超过5%,说明双磁路隐式梯形洛仑兹力磁轴承可以满足磁悬浮陀螺高精度敏捷机动的要求。

一种陀螺飞轮转子的本机动平衡方法

介绍了一种对陀螺飞轮柔性支承转子进行本机动平衡的方法.通过两维摆角伺服控制系统维持转子零位的控制电流来计算高速转子不平衡质量的幅值,同时以外接绝对式光电编码器测量不平衡质量的相位,使用激光去重机实现对不平衡质量的去除.动平衡试验验证了这种方法可以实现柔性支承转子的动平衡.

陀螺飞轮——一种用于航天器三轴姿态控制的新型执行机构/敏感器

Bristol陀螺飞轮是一种新型的姿态控制系统部件,该部件可以在测量航天器两个轴角速度的同时又提供三个轴的偏置角动量和控制力矩。本文阐述了该部件的工作原理并介绍了目前正在研制的、面向小卫星背景的飞行样机设计。陀螺飞轮的全功能样机已研制成功,该样机验证了其作为执行机构和速率敏感元件的双重能力,本文给出了一些试验结果。陀螺飞轮的一项关键优势在于:对地球指向任务,在与一个两轴地球敏感器一起用的条件下,它可以提供所有三个轴的精确指向控制。这使此类姿控系统可以降低重量、功耗,尤其是成本。针对一个由地球指向微小卫星任务构成的范例,一个基于陀螺飞轮的姿控系统设计已经完成。给出的性能仿真表明,其指向控制可以使各轴保持在0,1°内。陀螺飞轮提供了良好的前景来满足诸如通信、遥感以及空间科学等应用卫星对低成本、轻量化、高可靠以及高精度姿态控制系统的需求。

挠性框架对陀螺飞轮性能影响分析

挠性框架是实现陀螺飞轮输出三轴控制力矩、测量外界角速度的关键部件。通过数值计算分析了挠性框架平衡环的惯量特性、内/外弹性元件的摆动刚度,以及倾侧角度对陀螺飞轮整机性能指标的影响。分析结果表明:降低挠性框架剩余刚度系数可以提高陀螺飞轮转子摆角控制精度,降低控制力矩。

一种基于串联解耦的陀螺飞轮摆角控制方法

陀螺飞轮通过挠性支撑的动量轮转子加减速及侧向摆动实现三轴控制力矩输出,飞轮转子两维侧摆伺服系统是实现三轴力矩输出功能的关键.高速转子两维侧摆运动存在强耦合,采用常规的PID控制器无法实现两通道独立输出控制力矩.给出了一种解耦控制方法,通过串联解耦矩阵实现两维摆角解耦控制,并通过实时计算解耦矩阵系数解决解耦矩阵随飞轮转子转速时变的问题.数值仿真结果验证了这种解耦控制方法的有效性.

一种磁悬浮陀螺飞轮方案设计与关键技术分析

提出一种磁悬浮陀螺飞轮的设计方案,采用洛伦兹力磁轴承对陀螺飞轮转子进行五自由度支承以提供转动自由度,并利用洛伦兹力磁轴承磁力与电流的线性特性,间接测量陀螺仪的输入角速度。该装置作为姿态控制执行机构兼有敏感器功能,可同时进行三自由度姿态控制与两自由度姿态敏感。针对磁悬浮陀螺飞轮二自由度姿态敏感与三自由度姿态控制这两项关键技术进行了分析,推导了转子坐标系下磁悬浮陀螺飞轮的运动方程。提出前馈矩阵方法来补偿转子动力学耦合对输出径向二自由度控制力矩精度的影响,并对其进行了实验验证。磁悬浮陀螺飞轮可显著降低卫星姿态控制系统的体积、重量、功耗和发射成本,为中国微小卫星技术的发展从器部件层面上提供支持。

基于双飞轮陀螺效应的两轮自平衡机器人的研制

鉴于现今已有的平衡技术的不足,论文以飞陀螺效应为理论基础,介绍了两轮自平衡机器人的研制。首先搭建了单飞轮自平衡装置实验平台,基于矢量动力学建立单飞轮自平衡系统的动力学模型;基于PD控制理论推导单飞轮自平衡系统的控制方程组;最后以单飞轮自平衡实验为基础,研制双飞轮陀螺效应的自平衡机器人。以STM32单片机为系统控制核心,以安卓智能手机为遥控平台,以HC-06为车载蓝牙模块,设计两轮自平衡遥控机器人。实验结果表明该机器人具有在一定运动速递时仍具有良好的平衡性能和抵抗外部强烈冲击的特点。