火星着陆器喷气推力器和质量矩复合控制系统

摘要

本发明公开了一种火星着陆器喷气推力器和质量矩复合控制系统，该系统包括有姿态控制系统、复合执行机构、着陆器动力学和运动学模型；其中，姿态控制系统包括有姿态控制器和控制分配；其中，复合执行机构包括有RCS和MM。在考虑多种环境干扰因素情况下，建立基于RCS/MM的着陆器复合动力学模型；根据着陆器系统姿态误差产生控制系统所需要的控制力矩；控制分配则将总的控制力矩单独分配到两个执行机构，产生控制指令；RCS/MM系统根据各自的输入指令产生实际的控制力矩，调整着陆器姿态。本发明可有效降低着陆器系统燃料消耗，具有较强的机动性能，能够产生连续的控制力矩，改善着陆器的姿态控制精度和控制余度，为火星的精确着陆提供保障。

主权项

一种火星着陆器喷气推力器和质量矩复合控制系统，火星着陆器至少包括有位置姿态控制器、火星着陆器动力学和运动学模型(3)和执行机构；其特征在于：所述执行机构是指喷气反作用控制系统RCS和变质心MM的复合执行机构(2)；所述变质心MM中包括有第一质量滑块p和第二质量滑块q；第一质量滑块p安装在着陆器的本体体坐标系O_b‑X_bY_bZ_b的Y_b轴上，且第一质量滑块p是沿Y_b轴往复运动；第二质量滑块q安装在着陆器的本体体坐标系O_b‑X_bY_bZ_b的Z_b轴上，且第二质量滑块q是沿Z_b轴往复运动；所述火星着陆器动力学和运动学模型(3)是在喷气反作用控制系统RCS和变质心MM的复合执行机构(2)下构建的；所述位置姿态控制器中包括有姿态控制模块(11)和控制分配模块(12)构成的姿态控制系统(1)；姿态控制系统(1)中的姿态控制模块(11)根据接收到的姿态误差产生姿态控制所需的期望姿态控制力矩并将所述输出给控制分配模块(12)中的控制力矩分配模块(121)；控制力矩分配模块(121)将所述的期望姿态控制力矩进行分配处理后一方面输出喷气反作用控制系统RCS力矩指令给喷气反作用控制系统RCS指令分解模块(122)，另一方面输出变质心MM力矩指令给变质心MM指令分解模块(123)；τ_rdx为控制力矩分配模块(121)分配给喷气反作用控制系统RCS的X轴的姿态控制力矩；τ_rdy为控制力矩分配模块(121)分配给喷气反作用控制系统RCS的Y轴的姿态控制力矩；τ_rdz为控制力矩分配模块(121)分配给喷气反作用控制系统RCS的Z轴的姿态控制力矩；τ_mdx为控制力矩分配模块(121)分配给变质心MM的X轴的姿态控制力矩；τ_mdy为控制力矩分配模块(121)分配给变质心MM的Y轴的姿态控制力矩；τ_mdz为控制力矩分配模块(121)分配给变质心MM的Z轴的姿态控制力矩；喷气反作用控制系统RCS指令分解模块(122)对接收到的所述进行分解处理，输出喷气反作用控制系统RCS启动指令PWM_RCS给喷气反作用控制系统RCS和变质心MM的复合执行机构(2)中的喷气反作用控制系统RCS；变质心MM指令分解模块(123)对接收到的所述进行分解处理，输出变质心MM的位置指令s_p、s_q给喷气反作用控制系统RCS和变质心MM的复合执行机构(2)中的变质心MM；s_p表示第一质量滑块p的位置指令，s_q表示第二质量滑块q的位置指令；喷气反作用控制系统RCS和变质心MM的复合执行机构(2)中的喷气反作用控制系统RCS依据PWM_RCS指令产生控制力矩变质心MM依据s_p、s_q指令产生控制力矩喷气反作用控制系统RCS和变质心MM的复合执行机构(2)的力矩总和为作用于火星着陆器动力学和运动学模型(3)的复合控制力矩；火星着陆器动力学和运动学模型(3)是在喷气反作用控制系统RCS和变质心MM的复合执行机构(2)的力矩总和与环境因素产生的空气干扰力矩共同作用下，改变火星着陆器姿态，进而改变火星着陆器的着陆轨迹，最终完成火星着陆器姿态和位置的解算；所述火星着陆器动力学和运动学模型(3)中火星着陆器平动时的动力学模型为M为火星着陆器的总质量；为火星着陆器所受的空气动力；为火星引力势能；为喷气反作用控制系统RCS的推力矢量；为在惯性坐标系O_a‑X_aY_aZ_a下的火星着陆器质心点的二次微分矢量；为火星着陆器质心O_b点的绝对矢量；d表示微分标识；t为火星着陆器的着陆时刻；a为惯性坐标系的标识；为建模时动态引入的火星着陆器燃耗、RCS推力或者MM运动的作用力不确定项；为摄动加速度；其中：μ_s为太阳引力常数；μ_e为地球引力常数；为太阳相对于着陆器的位置矢量；为地球相对于着陆器的位置矢量；为太阳在火星惯性系的位置矢量；为地球在火星惯性系的位置矢量；为质量滑块相对着陆器的运动产生的惯性力；其中：p为第一质量滑块的标识；q为第二质量滑块的标识；为第一质量滑块p的位置矢量；为第二质量滑块q的位置矢量；m_p为第一质量滑块p的质量；m_q为第二质量滑块q的质量；为在火星着陆器的本体体坐标系O_b‑X_bY_bZ_b下的第一质量滑块的二次微分位置矢量；为在火星着陆器的本体体坐标系O_b‑X_bY_bZ_b下的第二质量滑块的二次微分位置矢量；为在火星着陆器的本体体坐标系O_b‑X_bY_bZ_b下的第一质量滑块的一次微分位置矢量；为在火星着陆器的本体体坐标系O_b‑X_bY_bZ_b下的第二质量滑块的一次微分位置矢量；为火星着陆器本体坐标系相对于惯性坐标系的角加速度矢量的反对称矩阵；为火星着陆器本体坐标系相对于惯性坐标系的角加速度矢量的反对称矩阵的一阶微分，下角标ab为两个坐标系的标识，上角标“×”表示反对称矩阵形式，为火星着陆器本体坐标系相对于惯性坐标系的X轴角加速度矢量，为火星着陆器本体坐标系相对于惯性坐标系的Y轴角加速度矢量，为火星着陆器本体坐标系相对于惯性坐标系的Z轴角加速度矢量；所述火星着陆器动力学和运动学模型(3)中火星着陆器转动时的动力学模型为J_O为火星着陆器的转动惯量；为火星着陆器相对于惯性坐标系的角速度矢量；为角速度矢量的一阶微分；为空气干扰力矩；为建模时动态引入的喷气反作用控制系统RCS控制力矩、空气动力矩、空气阻尼力矩或者质量滑块运动的力矩不确定项；为变质心MM运动产生的惯性力矩；且：μ_p为第一质量滑块的质量比，μ_q为第二质量滑块的质量比，ΔJ为变质心MM运动引起的附加转动惯量；且：式中：为第一质量块p位置矢量的反对称矩阵，上角标“×”表示反对称矩阵形式，s_p表示第一质量滑块p的位置指令；为第二质量块q位置矢量的反对称矩阵，上角标“×”表示反对称矩阵形式，s_q表示第二质量滑块q的位置指令。