一种平台在轨标定方法

摘要

一种平台在轨标定方法，特别是一种六自由度Gough‑Stewart平台在轨标定方法，通过补偿主动指向超静平台的作动器力系数，降低主动指向超静平台的作动器载荷三轴姿态耦合系数。包括步骤：根据归一化处理的载荷整体的三轴姿态、三轴主惯量，确定载荷整体的质心三轴实际受到的合力矩归一化结果；根据归一化处理的载荷质心的平动位移，归一化处理载荷质心三轴实际作用力。根据归一化处理的载荷质心的平动位移和归一化处理载荷质心三轴实际作用力，迭代计算给出作动器力系数的最优解。根据辨识的作动器力系数补偿主动指向超静作动器驱动电流，实现主动指向超静平台的载荷三轴姿态解耦，降低三轴姿态耦合系数。

权利要求

1.一种平台在轨标定方法，其特征在于，包括步骤如下：

1)将平台搭载的所有载荷作为整体，求取整体的质心作为载荷等效质心，根据载荷等效质心的三轴姿态、三轴主惯量，确定载荷等效质心三轴实际受到的合力矩归一化结果τreal，norm；根据载荷等效质心的平动位移rp，确定载荷等效质心三轴实际作用力归一化结果Freal，norm；所述三轴为载荷等效质心的滚动轴、俯仰轴和偏航轴；

2)迭代修正作用力归一化结果，根据合力矩归一化结果和合力矩期望值τr＝[τ1 τ2 τ3]寻找作用力归一化结果趋近于0的最优解，τ1，τ2，τ3分别为载荷等效质心的滚动轴、俯仰轴和偏航轴力矩期望值；

3)根据作用力归一化结果趋近于0的最优解和合力矩归一化结果确定作动器力系数，完成标定；

所述根据合力矩归一化结果和合力矩期望值τr＝[τ1 τ2 τ3]寻找作用力归一化结果趋近于0的最优解的方法，具体为：

21)根据合力矩归一化结果和作用力归一化结果确定指标函数Jreal；

22)判断指标函数Jreal绝对值是否小于临界值，若小于临界值，则该指标函数Jreal中的作用力归一化结果确定为最优解；若不小于临界值，则进入步骤23)；

23)迭代修正作用力归一化结果，重复步骤22)直至获得作用力归一化结果的最优解；

所述指标函数Jreal具体为：

Freal,norm(n)＝[Frealx Frealy Frealz]，τreal,norm＝[τrealx τrealy τrealz]，τr＝[τ1 τ2 τ3]，

Freal,norm(0)＝Freal，norm，其中，下脚标realx,realy,realz分别表示载荷等效质心的滚动轴、俯仰轴和偏航轴上的分量，τ1，τ2，τ3分别为载荷等效质心的滚动轴、俯仰轴和偏航轴力矩期望值，n＝0,1,

2,...；

所述步骤1)确定载荷等效质心三轴实际受到的合力矩归一化结果τreal，norm的方法，具体为：τreal，norm＝k2·θpnorm·Ιpnorm,其中，θp＝[θpx,θpy,θpz]为载荷等效质心三轴耦合姿态测量值，Ipx,Ipy,Ipz分别为载荷等效质心滚动轴、俯仰轴和偏航轴主惯量测量值，k2为载荷等效质心转动刚度系数，根据平台作动器的刚度获得；

所述步骤1)确定作用力归一化结果Freal，norm的方法，具体为：Freal，norm＝(k1·rpnorm)·m，其中，rpx,rpy,rpz为分别为载荷等效质心滚动轴、俯仰轴和偏航轴的平动位移设计值，rpx,rpy,rpz的取值范围均为(-0.1～0.1)；m为载荷质量，k1为载荷等效质心三轴的平动位移的刚度系数，根据平台作动器的刚度获得；

所述临界值小于10-3。

2.根据权利要求1所述的一种标定方法，其特征在于，所述迭代修正作用力归一化结果的方法，具体为：其中，kreal为作用力归一化结果更新系数，取值范围为(-1，1)，t为时间。

3.根据权利要求2所述的一种标定方法，其特征在于：所述平台为六自由度Gough-Stewart平台；

所述步骤3)确定作动器力系数α＝[α1 … α6]的具体方法为：其中，βij为β矩阵的第i行第j列的元素，β＝(JpT)-1，Jp为载荷等效质心雅克比矩阵；当βi,3+k＝0时，αi＝1，i＝1，2，...，6，j＝1,2,...,6，k＝1,2,3。

说明书

一种平台在轨标定方法

技术领域

[0001] 本发明属于航天器姿态控制领域，涉及一种平台在轨标定方法。

背景技术

[0002] 目前，航天器光学载荷高精度指向、高稳定度控制离不开准确的运动学参数。而由于作动器中各个作动器中的电机反电势系数不一致，导致在相同的输入条件时，各个电机输出的力各有区别。这使得载荷三轴姿态有明显耦合。因此，必须进行载荷姿态解耦的作动器力系数标定，降低载荷三轴姿态耦合系数。

[0003] 单个作动器力系数标定方法存在以下不足：

[0004] 1、在现有超静平台载荷高精度控制中，通常只进行单个作动器的力系数标定，无法实现多个作动器力系数的集中标定；

[0005] 2、现有的标定技术在多个作动器标定过程中需要同时获得载荷质心姿态和质心平动位移。当载荷质心平动位移无法获取时，现有标定方法难以实现多个作动器力系数的准确标定。

[0006] 3、多个作动器构成的主动指向超静平台，其平台构型误差的存在直接影响着载荷三轴姿态误差。现有技术的单个作动器力系数标定方法没有标定载荷质心雅克比矩阵Jp构型偏差引起的载荷姿态误差，即不能解决载荷质心雅克比矩阵Jp实际值与理论设计之间的差异而带来的载荷姿态偏差问题。

发明内容

[0007] 本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种平台在轨标定方法，能够实现载荷三轴姿态耦合系数大幅度降低，为航天器光学载荷高精度指向、高稳定控制、快速稳定控制提供技术基础。

[0008] 本发明的技术解决方案是：

[0009] 一种平台在轨标定方法，包括步骤如下：

[0010] 1)将平台搭载的所有载荷作为整体，求取整体的质心作为载荷等效质心，根据载荷等效质心的三轴姿态、三轴主惯量，确定载荷等效质心三轴实际受到的合力矩归一化结果τreal，norm；根据载荷等效质心的平动位移rp，确定载荷等效质心三轴实际作用力归一化结果Freal，norm；

[0011] 2)迭代修正作用力归一化结果，根据合力矩归一化结果和合力矩期望值τr＝[τ1 τ2 τ3]寻找作用力归一化结果趋近于0的最优解，τ1，τ2，τ3分别为载荷等效质心的滚动轴、俯仰轴和偏航轴力矩期望值；

[0012] 3)根据作用力归一化结果趋近于0的最优解和合力矩归一化结果确定作动器力系数，完成标定。

[0013] 所述根据合力矩归一化结果和合力矩期望值τr＝[τ1τ2τ3]寻找作用力归一化结果趋近于0的最优解的方法，具体为：

[0014] 21)根据合力矩归一化结果和作用力归一化结果确定指标函数Jreal；

[0015] 22)判断指标函数Jreal绝对值是否小于临界值，若小于临界值，则该指标函数Jreal中的作用力归一化结果确定为最优解；若不小于临界值，则进入步骤23)；所述临界值小于10-3。

[0016] 23)迭代修正作用力归一化结果，重复步骤22)直至获得作用力归一化结果的最优解。

[0017] 所述指标函数Jreal具体为：

[0018]

[0019] Freal,norm(n)＝[Frealx Frealy Frealz]，

[0020] τreal,norm＝[τrealx τrealy τrealz]，

[0021] τr＝[τ1 τ2 τ3]，

[0022] Freal,norm(0)＝Freal，norm，

[0023] 其中，下脚标realx,realy,realz分别表示载荷等效质心的滚动轴、俯仰轴和偏航轴上的分量，τ1，τ2，τ3分别为载荷等效质心的滚动轴、俯仰轴和偏航轴力矩期望值，n＝0,1,2,...。

[0024] 所述迭代修正作用力归一化结果的方法，具体为：

[0025]

[0026] 其中，kreal为作用力归一化结果更新系数，取值范围为(-1，1)，t为时间。

[0027] 所述平台为六自由度Gough-Stewart平台；

[0028] 所述步骤3)确定作动器力系数α＝[α1 … α6]的具体方法为：

[0029]

[0030] 其中，βij为β矩阵的第i行第j列的元素，β＝(JpT)-1,Jp为载荷等效质心雅克比矩阵；当βi,3+k＝0时，αi＝1，i＝1，2，...，6，j＝1,2,...,6，k＝1,2,3。

[0031] 所述步骤1)确定载荷等效质心三轴实际受到的合力矩归一化结果τreal，norm的方法，具体为：

[0032] τreal，norm＝k2·θpnorm·Ipnorm，

[0033]

[0034]

[0035] 其中，θp＝[θpx,θpy,θpz]为载荷等效质心三轴耦合姿态测量值，Ipx,Ipy,Ipz分别为载荷等效质心滚动轴、俯仰轴和偏航轴主惯量测量值，k2为载荷等效质心转动刚度系数，根据平台作动器的刚度获得。

[0036] 所述步骤1)确定作用力归一化结果Freal，norm的方法，具体为：

[0037] Freal，norm＝(k1·rpnorm)·m，

[0038]

[0039] 其中，rpx,rpy,rpz为分别为载荷等效质心滚动轴、俯仰轴和偏航轴的平动位移设计值，rpx,rpy,rpz的取值范围均为(-0.1～0.1)；m为载荷质量，k1为载荷等效质心三轴的平动位移的刚度系数，根据平台作动器的刚度获得。

[0040] 本发明与现有技术相比的有益效果在于：

[0041] 1)建立6个作动器力系数α的标定模型，通过建立指标函数，求解载荷质心作用力的最优解，实现多个作动器力系数集中标定，实现多个作动器力系数不一致的统一，实现多个作动器力系数的辨识标定。

[0042] 2)本发明不需要测量载荷质心平动位移，通过采用设置载荷质心平动位移初始值，通过迭代方式寻找载荷质心三轴作动力的最优解，使得载荷质心三轴作动力实际值与期望值之间的误差最小。在此基础上，获得作动器力系数的最优解，提高作动器力系数标定精度。

[0043] 3)载荷三轴姿态中包含因载荷质心雅克比矩阵Jp构型偏差引起的载荷姿态偏差。本发明仅通过测量载荷三轴姿态，就能够补偿载荷质心雅克比矩阵Jp构型偏差引起的载荷姿态误差。

附图说明

[0044] 图1为本发明方法的流程图。

具体实施方式

[0045] 本发明采用图1所示流程完成主动指向超静平台的载荷姿态解耦作动器力系数标定方法。

[0046] 1)将平台搭载的所有载荷作为整体，求取整体的质心作为载荷等效质心，根据载荷等效质心的三轴姿态、三轴主惯量，确定载荷等效质心三轴实际受到的合力矩归一化结果τreal，norm；根据载荷等效质心的平动位移rp，确定载荷等效质心三轴实际作用力归一化结果Freal，norm；

[0047] 2)迭代修正作用力归一化结果，根据合力矩归一化结果和合力矩期望值τr＝[τ1 τ2 τ3]寻找作用力归一化结果趋近于0的最优解，τ1，τ2，τ3分别为载荷等效质心的滚动轴、俯仰轴和偏航轴力矩期望值；

[0048] 3)根据作用力归一化结果趋近于0的最优解和合力矩归一化结果确定作动器力系数，完成标定。

[0049] 所述根据合力矩归一化结果和合力矩期望值τr＝[τ1 τ2 τ3]寻找作用力归一化结果趋近于0的最优解的方法，具体为：

[0050] 21)根据合力矩归一化结果和作用力归一化结果确定指标函数Jreal；

[0051] 22)判断指标函数Jreal绝对值是否小于临界值，若小于临界值，则该指标函数Jreal中的作用力归一化结果确定为最优解；若不小于临界值，则进入步骤23)；

[0052] 23)迭代修正作用力归一化结果，重复步骤22)直至获得作用力归一化结果的最优解。

[0053] 具体方法如下：

[0054] (1)建立作动器平动位移与载荷质心广义位移的运动学模型，具体为：

[0055] δL＝Jp[rp θp]T

[0056] 其中，δL为作动器的位移，rp为载荷质心的平动位移，θp＝[θpx,θpy,θpz]为载荷的三轴耦合姿态测量值。Jp为载荷质心雅克比矩阵。

[0057] (2)建立作动器输出力、作动器力系数α与载荷质心广义力动力学模型具体为：

[0058]

[0059] 其中，fr＝[fr1,…,fr6,]T为六个作动器的期望输出力；Freal为载荷质心三轴实际作用力，τreal为荷质心三轴实际受到的合力矩。

[0060] (3)作动器期望输出力与实际输出力模型

[0061] 利用主动指向超静作动器位移和载荷质心的运动学方程、作动器输出力和载荷质心受到的合成力、力矩方程构建主动指向超静作动器力系数标定模型；其中，载荷耦合姿态测量作为标定模型的第一个输入量，以载荷平动控制力初始值Freal为标定模型的第二个输入量；作动器力系数为标定模型的输出量；作动器运动学关系反映载荷的力、力矩与作动器力之间关系，表示为：

[0062]

[0063] 其中，Fr为载荷质心的期望力，由于超静平台只进行载荷姿态控制，则Fr≡0；τr＝[τ1 τ2 τ3]，τ1，τ2，τ3分别为载荷质心的滚动轴、俯仰轴和偏航轴力矩期望值。fr＝[fr1,…,fr6,]T为六个作动器的期望输出力；Jp为载荷质心雅克比矩阵。

[0064] 作动器输出力期望值与实际输出力的模型，表示为：

[0065] freal＝αfr

[0066] 其中，freal为各作动器的实际输出力，α＝[α1 … α6]为作动器的实际输出与期望输出力比值系数。

[0067] (4)载荷姿态测试和耦合系数计算

[0068] 进行主动指向超静平台的载荷三轴姿态测量，获得载荷三轴姿态耦合测量值θp＝[θpx,θpy,θpz]，并计算载荷三轴姿态耦合系数为

[0069] γij＝θj/θi

[0070] 上式中，γij表示第i轴姿态机动对第j轴的姿态耦合系数；θi表示第i轴机动时测量的姿态；θj表示第j轴耦合的姿态分量。载荷三轴姿态耦合系数测试结果如下表所示。

[0071]

[0072]

[0073] (5)载荷姿态和载荷三轴惯量归一化

[0074] 根据下式进行载荷三轴姿态和惯量归一化处理，结果为

[0075]

[0076] 其中，Ip＝[Ipx,Ipy,Ipz]为载荷的三轴主惯量；归一化测试结果如下表所示。

[0077]

[0078] 通过载荷等效质心的三轴姿态归一化阵θpnorm和载荷等效三轴主惯量归一化阵Ipnorm，确定载荷等效质心三轴实际受到的合力矩归一化结果τreal，norm：

[0079] τreal，norm＝k2·θpnorm·Ipnorm，

[0080]

[0081]

[0082] 其中，θp＝[θpx,θpy,θpz]为载荷等效质心三轴耦合姿态测量值，Ipx,Ipy,Ipz分别为载荷等效质心滚动轴、俯仰轴和偏航轴主惯量测量值，k2为载荷等效质心转动刚度系数，根据平台作动器的刚度获得。

[0083] 确定作用力归一化结果Freal，norm的方法，具体为：

[0084] Freal，norm＝(k1·rpnorm)·m，

[0085]

[0086] 其中，rpx,rpy,rpz为分别为载荷等效质心滚动轴、俯仰轴和偏航轴的平动位移设计值，rpx,rpy,rpz的取值范围均为(-0.1～0.1)；m为载荷质量，k1为载荷等效质心三轴的平动位移的刚度系数，根据平台作动器的刚度获得。

[0087] (6)以载荷某个轴机动为例，构建标定模型为：

[0088]

[0089] 其中，β＝(JpT)-1，βij为β矩阵的第i行第j列的元素。当βi4＝0时，αi＝1。当βi4≠0时，则有

[0090]

[0091] Freal,norm＝[Frealx Frealy Frealz]，

[0092] τreal,norm＝[τrealx τrealy τrealz]，

[0093] τr＝[τ1 τ2 τ3]，k＝1,2,3分别为载荷质心的滚动轴、俯仰轴和偏航轴力矩期望值。

[0094] (7)以x轴机动为例进行说明，对载荷x、y方向的合力为0，即Frealx＝0，Frealy＝0，构建载荷z轴合成力Frealz与作动器力系数α的模型为：

[0095] λi＝(βi4τrealx+βi5τrealy+βi6τrealz)/βi4

[0096] γi＝βi3/βi4

[0097] 则，作动器力系数α表示为Frealz函数，为，

[0098]

[0099] (8)计算指标函数Jreal；设初始Freal＝0，计算作动器电机输出的合成力、力矩与载荷期望力、力矩的欧几里得范数。

[0100]

[0101] Freal,norm(n)＝[Frealx Frealy Frealz]，

[0102] τreal,norm＝[τrealx τrealy τrealz]，

[0103] τr＝[τ1 τ2 τ3]，

[0104] Freal,norm(0)＝Freal，norm，

[0105] 其中，下脚标realx,realy,realz分别表示载荷等效质心的滚动轴、俯仰轴和偏航轴上的分量，τ1，τ2，τ3分别为载荷等效质心的滚动轴、俯仰轴和偏航轴力矩期望值，n＝0,1,2,...。

[0106] (9)对指标函数Jreal求导，判断指标函数Jreal的导数的变化趋势。如果导数绝对值满足临界值的要求，即指标函数Jreal导数绝对值＜10-3，则判定作动器力系数辨识结果满足要求并退出；如果不满足则进入下一步；

[0107] (10)更新载荷质心三轴实际作用力的合力Freal,norm：

[0108]

[0109] Freal,norm(0)＝Freal，norm，

[0110] 其中，kreal为载荷质心三轴作用力归一化结果Freal,norm更新系数，最优取值范围为(-1，1)；k为正整数，t为时间。

[0111] (11)以x轴机动为例进行说明，通过迭代计算Frealz＝-0.1590。作动力力系数辨识结果如下表：

[0112] 项 α1 α2 α3 α4 α5 α6值 1.0385 1.0391 0.7823 0.7823 1.0461 1.0450

[0113] (12)将根据步骤(11)获取的作动器力补偿系数固化在载荷DSP控制器中，进行作动器补偿控制，实现载荷三轴姿态解耦控制。作动器力补偿系数计算为：

[0114] kfi＝1/αi

[0115] 作动器力补偿系数测试结果如下表所示。

[0116]项 kf1 kf2 kf3 kf4 kf5 kf6
值 0.9629 0.9624 1.2782 1.2800 0.9559 0.9569

[0117] (13)将根据步骤(12)获取的作动器力补偿系数进行载荷三轴姿态测试，载荷三轴姿态耦合系数测试结果如下表。

[0118] 项目 标定前 标定后载荷X对Y轴耦合系数 8.22％ 0.50％
载荷X对Z轴耦合系数 0.48％ 0.28％
载荷Y对X轴耦合系数 7.65％ 0.29％
载荷Y对Z轴耦合系数 0.85％ 0.84％
载荷Z对X轴耦合系数 1.0％ 0.73％
载荷Z对Y轴耦合系数 0.5％ 0.35％

[0119] 本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。