Underactuated spacecraft angular velocity stabilization and three-axis attitude stabilization using two single gimbal control moment gyros

Angular velocity stabilization control and attitude stabilization control for an underactuated spacecraft using only two single gimbal control moment gyros （SGCMGs） as actuators is investigated. First of all, the dynamic model of the underactuated spacecraft is established and the singularity of different configurations with the two SGCMGs is analyzed. Under the assumption that the gimbal axes of the two SGCMGs are installed in any direction, and that the total system angular momentum is not zero, a state feedback control law via Lyapunov method is designed to globally asymptotically stabilize the angular velocity of spacecraft. Under the assumption that the gimbal axes of the two SGCMGs are coaxially installed along anyone of the three principal axes of spacecraft inertia, and that the total system angular momentum is zero, a discontinuous state feedback control law is designed to stabilize three-axis attitude of spacecraft with respect to the inertial frame. Furthermore, the singularity escape of SGCMGs for the above two control problems is also studied. Simulation results demonstrate the validity of the control laws.

Local controllability and stabilization of spacecraft attitude by two single-gimbal control moment gyros

The attitude control problem of a spacecraft underactuated by two single-gimbal control moment gyros （SGCMGs） is investigated. Small-time local controllability （STLC） of the attitude dynamics of the spacecraft-SGCMGs system is analyzed via nonlinear controllability theory. The conditions that guarantee STLC of the spacecraft attitude by two non-coaxial SGCMGs are obtained with the momentum of the SGCMGs as inputs, implying that the spacecraft attitude is STLC when the total angular momentum of the whole system is zero. Moreover, our results indi- cate that under the zero-momentum restriction, full attitude stabilization is possible for a spacecraft using two non-coaxial SGCMGs. For the case of two coaxial SGCMGs, the STLC property of the spacecraft cannot be determined. In this case, an improvement to the previous full attitude stabilizing control law, which requires zero-momentum presumption, is proposed to account for the singu- larity of SGCMGs and enhance the steady state performance. Numerical simulation results demonstrate the effectiveness and advantages of the new control law.

Application of Ultrasonic Motor to Control of Moment Gyroscope Gimbal Servo System

Attitude control system is one of the most important subsystems in a spacecraft.As a key actuator,the control moment gyroscope(CMG)mainly determines the performance of attitude control system.Whereas,the control accuracy and output torque smoothness of the CMG depends more on its gimbal servo system.Considering the constraints of size,mass and power consumption for a small satellite,here,a mini-CMG is designed,in which the gimbal servo system is driven by an ultrasonic motor.The good performances of the CMG are obtained by both the ultrasonic motor and the rotary inductosyn.The direct drive of gimbal improves its dynamic performance,with the output bandwidth above 20 Hz.The angular and speed closed-loop control obtains the 0.02°/s gimbal rate,and the output torque resolution better than 2×10^(-3) N·m.The ultrasonic motor provides 1.0N·m self-lock torque during power-off,with 12arc-second position accuracy.

CMG框架超低速无电流环矢量控制研究

针对控制力矩陀螺框架在超低速工况下存在转速测量精度低、多源扰动力矩及非线性摩擦等问题,提出了基于无电流环矢量控制的超低速驱动控制方法。首先,建立超低速工况下的框架电机的机电模型,设计了无电流环磁场矢量控制器(field-oriented control,简称FOC);其次,针对转速测量精度的问题,设计了转速观测器作为反馈环节。结果表明,与方波驱动法相比,该方法无换相转矩,提高了转速测量精度,且在面对多源扰动、非线性摩擦时具有鲁棒性。仿真和实验结果验证了该方法的可行性和有效性。

Error analysis and a new steering law design for spacecraft control system using SGCMGs

Based on the singular value decomposition theory,this paper analyzed the mechanism of escaping/avoiding singularity using generalized and weighted singularity-robust steering laws for a spacecraft that uses single gimbal control moment gyros （SGCMGs） as the actuator for the attitude control system.The expression of output-torque error is given at the point of singularity,proving the incompatible relationship between the gimbal rate and the output-torque error.The method of establishing a balance between the gimbal rate and the output-torque error is discussed,and a new steering law is designed.Simulation results show that the proposed steering law can effectively drive SGCMGs to escape away from singularities.

基于深度学习的无人机目标识别与反制

随着低空无人机在军事和民用领域的广泛应用,其安全隐患亟需关注。本文提出一种基于改进YOLOv7模型的检测方法,并引入注意力机制,强化模型对目标区域特征的表达能力。同时,提出一种改进的StrongSORT跟踪算法,优化跟踪性能。这些研究成果提高了检测和跟踪的准确性和实时性,通过云台主动跟踪控制算法扩大了监控视野,增强了系统的跟踪灵活性。最终实现了一套完整的红外无人机检测与跟踪系统,满足了实时跟踪的需求,并探讨了其在民用领域反无人机系统中的潜在应用。

基于扩张状态观测器的无人机云台系统控制算法

针对无人机(UAV)三轴云台增稳控制中变量耦合的问题,提出一种基于扩张状态观测器(ESO)的无人机云台系统控制算法。首先,建立了无人机机载云台期望角的姿态解算算法模型;其次,构建了无人机机载云台位置环和速度环的串级比例-积分-微分(PID)控制回路;最后,引入ESO对机载云台角速度项在线实时估计,解决角速度项由于高耦合、多外扰导致的难以直接测量的问题,并对各通道的控制输入进行补偿。实验结果表明,所提算法在无指令、有指令和综合任务场景下的角度均方根误差分别为0.2357°、0.6317°和0.9463°,与传统PID算法相比,所提算法的角度误差分别降低了69.43%、53.29%和50.43%。可见,所提算法对外界扰动的抗干扰能力更强,控制精度更高。

线性自抗扰的增稳云台控制系统研究与实现

增稳云台是维持摄像头稳定并获得清晰图像的重要装置。文中提出一种LADRC线性自抗扰控制算法与FOC矢量控制算法相结合的方法,并将其应用于增稳云台系统中,提高增稳云台的控制精度、稳定性与抗干扰能力。其次,对无人系统增稳云台的硬件和软件进行设计,搭建测试实验平台。测试结果表明,所设计的控制系统运行良好,对阶跃控制命令的上升时间在0.3 s以内,在17.5 m/s的风速环境下,三轴角度的变化范围在0.15°以内,可达到预期目标。

磁悬浮系统的建模与不平衡振动自适应控制(英文)

A system model is developed to describe the translational and rotational motion of an active-magnetic-bearing-suspended rigid rotor in a single-gimbal control moment gyro onboard a rigid satellite. This model strictly reflects the motion characteristics of the rotor by considering the dynamic and static imbalance as well as the coupling between the gimbal＇s and the rotor＇s motion on a satellite platform. Adaptive auto-centering control is carefully constructed for the rotor with unknown dynamic and static imbalance. The rotor makes its rotation about the principal axis of inertia through identifying the small rotational angles between the geometric axis and the principal axis as well as the displacements from the geometric center to the mass center so as to tune a stabilizing controller composed of a decentralized PD controller with cross-axis proportional gains and high- and low-pass filters. The main disturbance in the wheel spinning can thereby be completely removed and the vibration acting on the satellite attenuated.

机载光电跟踪系统的自抗扰与快速非奇异终端滑模组合控制方法

机载目标跟踪系统由于受到外部干扰、内部参数摄动和未建模动态等扰动的影响,使跟踪控制分系统设计面临巨大的挑战。以两轴四框架的光电稳定平台为对象研究抗扰动控制方法,针对自抗扰控制的扰动补偿一般留有扰动残差和滑模控制会引入较大抖振的问题,设计一种自抗扰与快速非奇异终端滑模组合控制的方法。利用线性扩张状态观测器来估计总扰动量并在控制端进行补偿,从而允许设计滑模控制的控制率时采用较小的滑模切换增益,并通过设计快速非奇异终端滑模面得到控制率,加快系统收敛的同时避免非奇异现象。数值仿真结果表明,该组合控制方法在外部扰动和模型不确定性的影响下,可以实现快速收敛与高跟踪精度的同时引入较小的抖振,并且实现了机载目标跟踪系统需求的快速响应性能,验证了这个组合控制方法的有效性。

基于RBF神经网络的三轴云台自适应滑模控制

针对云台系统在日常运转过程中,易受到外界非线性干扰、参数时变等不确定因素影响的问题,提出了一种基于径向基函数神经网络(RBFNN)的自适应滑模控制方法。根据对云台系统工作时性能状态进行分析,建立了动力学模型;利用扩张状态观测器实现对内外部环境扰动量的实时预测,从而获取到神经网络自学习的信息;通过Lyapunov分析法推导出云台系统的滑模控制率,并采用一种新型饱和函数消除了滑模抖振对系统带来的影响,也使得控制量切换时更加具有连续性。仿真结果表明,所提三轴云台控制策略与普通滑模控制方法相比,控制精度更高且抗干扰能力更强。

基于运动补偿的小型无人机云台控制器设计方法

云台安装的摄像机可用于基于视觉的小型无人机目标跟踪与定位。分析了无人机平移和旋转运动对目标在图像平面成像的影响,推导了机体角速度与云台姿态角速度转换矩阵,设计基于运动补偿的云台控制器将无人机速度和机体角速度引入云台控制器输入,补偿因无人机运动引起的摄像机视线改变,并利用目标在图像平面的位置偏差修正摄像机跟踪误差。仿真实验表明所设计的云台控制器可提高目标跟踪精度,减少云台抖动。

一种双框架磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统扰动抑制方法研究

为了抑制谐波减速器运动误差对双框架控制力矩陀螺伺服系统速率平稳性的影响,提出一种角加速度反馈的控制方法。建立了带有谐波减速机构的陀螺框架系统的数学模型,对谐波减速器的运动误差进行了分析。通过设计非线性微分跟踪器得到加速度信号构成加速度反馈,对谐波减速器运动误差所造成的速率波动进行抑制。对框架伺服系统进行仿真,仿真结果证明了该控制方法的有效性,在双框架磁悬浮控制力矩陀螺原理样机上进行了实验验证,实验结果表明,在5度/秒的转速情况下,使框架转速波动量减小了59%,显著提高了转速精度。

使用单框架控制力矩陀螺的空间站姿态控制系统建模与仿真

研究使用单框架控制力矩陀螺群 (SGCMGs)的空间站的姿态控制。完成空间站在轨三轴稳定飞行模式下的动力学和执行机构的建模。基于最小二乘意义下的伪逆原理设计了 SGCMGs的控制律。对于框架构形的隐奇异 ,采用零运动躲避的算法。同时建立了框架电机的动力学、干扰和控制器的仿真模型。提出了适合工程应用的SGCMGs构形显奇异和饱和奇异的工程性的判断条件及卸载方法。为了探讨伺服机构对系统响应特性的影响 ,进行了分系统级的仿真。仿真模型中包括了空间环境力矩、敏感器及姿态确定模型。仿真中使用了五棱锥构形的SGCMGs,这种构形具有好的冗余度和大的角动量包络。仿真结果验证了五棱锥构形

单框架控制力矩陀螺转子动不平衡对遥感卫星成像的影响

分析了单框架控制力矩陀螺(SGCMG)转子在高速旋转时产生的动不平衡干扰力矩引起的星体颤振角和颤振角速度对TDI CCD相机成像的影响。通过坐标变换将转子坐标系下的干扰力矩转换至星体坐标系下的干扰力矩,将卫星姿态动力学方程计算出干扰力矩引起的星体颤振角位移和颤振角速度代入TDI CCD相机成像像移补偿模型;利用TDICCD相机像点与物点对应模型的仿真系统仿真了陀螺转子在不同转速下引起星体颤振角位移和角速度对相机成像的影响;最后,利用图像对比度和互相关相似性测度分析仿真成像质量。仿真显示:SGCMG转子在转速为3 000 r/min时,横向调制传递函数为0.997,图像互相关相似性测度为0.996 1;转速为6 000 r/min时,横向调制传递函数为0.928 3,图像互相关相似性测度为0.974 8。结果表明:SGCMG转子在高速旋转过程中引起的星体颤振角位移和角速度严重影响了TDI CCD相机的成像质量,应依据颤振的影响对SGCMG实施减震措施。

单框架控制力矩陀螺的奇异分析及操纵律设计

通过对单框架控制力矩陀螺群(SGCMGs)的奇异问题的分析,设计了一种新的伪逆解与零运动向量相结合的操纵律来回避SGCMGs的内部奇异点。首先通过绘制金字塔构型SGCMGs奇异角动量曲面及典型角动量切面对应的奇异度量极值曲面,研究了其奇异的几何特性。然后以缩小期望力矩与各SGCMG角动量的夹角为目的,给出了一种新的零运动向量构造方法用于操纵律的设计。该方法在全局范围内考虑,并未参考当前奇异度量值,故能有效地避免奇异度量局部极值所对应的内部显奇异点。最后将其与现有的几种操纵律进行了数学仿真对比,验证了其有效性及优越性。

基于terminal滑模控制的小卫星机动方法

采用terminal滑模控制方法研究了以单框架控制力矩陀螺(SGCMG)为执行机构的小卫星的姿态机动控制。首先,基于修正罗德里格斯(MRP)参数建立了小卫星数学模型,以terminal滑模控制方法进行控制力矩规划。然后,采用SGCMGs作为小卫星执行机构,以非对角奇异鲁棒操纵律跟踪terminal滑模控制产生的期望力矩;通过仿真分析归纳出terminal滑模控制设计参数的变化规律和选取原则。最后,利用小卫星三轴气浮转台实验验证termianl滑模控制方法的实用性。实验显示:根据参数选取原则设定的参数进行小卫星机动稳定实验得到的姿态角和姿态角速度控制精度和稳态误差分别小于0.1°和0.01(°)/s,满足三轴气浮转台最佳控制精度。结果表明terminal滑模控制方法在小卫星机动稳定任务中具有很高的控制精度和稳定度,能够为小卫星成像任务稳定执行提供良好的基础。

快速机动小卫星执行机构研究

为了验证采用控制力矩陀螺作为小卫星的姿态控制执行部件,大幅提升小卫星机动能力的可行性,根据控制力矩陀螺的工作原理,设计了控制力矩陀螺原理样机,并利用单轴气浮转台进行了控制力矩陀螺半物理仿真实验。实验结果表明,控制力矩陀螺作为小卫星执行机构,可使小卫星在8 s内机动20°,机动速度可达2.5°/s,实现了在短时间内完成小卫星大角度快速机动和入轨后快速定姿,为控制力矩陀螺在小卫星上的实际工程应用提供了依据。

双框架磁悬浮控制力矩陀螺动框架效应补偿方法

双框架磁悬浮控制力矩陀螺(Double gimbal magnetically suspended control moment gyroscope,DGMSCMG)是由磁悬浮高速转子系统与内框架、外框架速率伺服系统构成的航天器新型姿控执行机构。由于非线性及三个子系统间的强耦合,框架转动时磁悬浮转子位移急剧增大影响稳定性,同时框架系统的响应速度显著下降,称之为动框架效应。该效应严重影响了DGMSCMG的功能,必须加以抑制。建立DGMSCMG的动力学模型,分析三个子系统间的动力学耦合机理,提出一种基于复合控制的补偿方法,引入针对陀螺项的反馈和针对框架角速率给定的前馈消除磁悬浮转子附加位移,提高框架系统响应速度,并对补偿后系统做全局稳定性分析。仿真和试验结果表明,该方法能在保证系统稳定性的前提下有效抑制动框架效应,满足DGMSCMG的功能要求。

SGCMGs驱动的挠性航天器有限时间自适应鲁棒控制

针对挠性航天器系统中同时存在单框架控制力矩陀螺群(Single gimbaled control moment gyroscopes,SGCMGs)摩擦非线性、电磁干扰力矩、惯量摄动以及外部干扰等问题,提出了一种有限时间自适应鲁棒控制(Finite-time adaptive robust control,FTARC)方法.针对系统中存在未知参数的情况,分别设计自适应更新律,使得控制器的设计不依赖参数信息,同时减小外部干扰对系统的不利影响.应用Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统姿态角误差和姿态角速度误差可在有限时间内收敛到原点附近的邻域内.仿真结果表明,所提控制律可实现挠性航天器姿态快速机动,并获得甚高指向精度.