（航空宇航科学与技术专业论文）空间电磁对接动力学和控制研究.pdf

国防科技大学研究牛院硕士学位论文 摘要 随着微小卫星技术、在轨服务技术和空间对抗技术的发展，航天器自主交会 对接成为当前航天领域新的研究热点。传统基于推力器的航天器对接方式存在推 进剂消耗、羽流污染和对接冲击等问题，采用电磁对接系统可以有效克服上述问 题，特点显著、应用前景广阔。 本文以电磁对接系统的动力学与控制问题为对象，对电磁对接系统的作用原 理、系统模型、控制策略以及地面测试验证技术进行了研究。论文工作主要包括 以下三方面： 首先，根据电磁场基本理论，推导建立了基于单线圈的电磁力力矩作用的精 确模型、远场模型和中场模型和多线圈的二维远场模型，为研究电磁对接非线性 控制问题提供了系统模型。在此基础上，分析了地球磁场在电磁对接过程中对卫 星的影响，结果表明地球磁场产生的干扰力很小，但干扰力矩不能忽略。 其次，针对地面简化条件下的电磁对接控制问题，采用变参数p d 控制和滑模 控制方法，建立了相应的非线性控制策略，并进行了比较。仿真结果表明，在一 个控制量有约束的条件下，这两种控制策略都能够完成电磁柔性对接任务，且各 有优劣之处。 最后，论文给出了电磁力地面测量控制系统的总体设计，通过实验测量结果 验证了第二章单线圈模型理论的正确性，提出了控制策略实验验证方案，探讨了 下一步实验的初步构想。 目前，航天器电磁对接技术研究还处于探索阶段，在理论和工程上都有相当 难度。本文对电磁对接动力学与控制问题进行了初步研究，为电磁对接系统的设 计与地面验证打下了一定基础。下一步将针对空间环境下的电磁对接非线性控制 策略以及基于气浮台的地面演示验证技术方面进行深入研究。 主题词：电磁力；电磁对接；非线性控制；测量控制 第i 页 国防科技大学研究牛院硕： ：学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es m a l ls a t e l l i t e s ，o n o r b i ts e r v i c i n ga n dc o u n t e r s p a c e t e c h n o l o g i e s ，t h es p a c e c r a f ta u t o n o m o u sr e n d e z v o u sd o c k i n ga r ee m e r g i n ga si m p o r t a n t f i e l d si ns p a c e t h es p a c e c r a f tr e n d e z v o u sd o c k i n gb a s e do nt h et r a d i t i o n a lt h r u s t e r c o m ew i t hs e v e r a lc h a l l e n g e ss u c ha sp r o p e l l a n tc o n s u m i n g ，p l u m ec o n t a m i n a t i o n sa n d d o c k i n gi m p a c t u s i n ge l e c t r o m a g n e t sa sa c t u a t i o no fs p a c e c r a f if o rr e n d e z v o u sd o c k i n g h a v es o m ed i s t i n c ta d v a n t a g e sa n df a v o r a b l ea p p l i c a t i o n s t h i st h e s i si n v e s t i g a t e st h ed y n a m i c sa n dc o n t r o lo ft h ee l e c t r o m a g n e t i cd o c k i n g s y s t e m ，a n dr e s e a r c hw o r k sa r ef o c u s e do nt h ee l e c t r o m a g n e t i cd o c k i n gb a s i c s ，f o r c e t o r q u em o d e l s ，n o n l i n e rc o n t r o la l g o r i t h m sf o rs i m p l i f i e dg r o u n dp r o t o t y p ea n dt h e m e a s u r e m e n ta n dv a l i d a t i o ns y s t e mo fe l e c t r o m a g n e t i cd o c k i n gc o n c e p t t h em a i n c o n t r i b u t i o n so ft h et h e s i sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , a c c o r d i n gt o t h ee l e c t r o m a g n e t i c st h e o r y , t h r e ed i f f e r e n tf o r c e t o r q u e m o d e l so fas i n g l er i n go fc u r r e n ta n dt h ep l a n a rf a r - f i e l dm o d e lo fm u l t i p l er i n g so f c u r r e n ta r eb u i l t ，w h i c ha r eu s e dt os t u d yt h en o n l i n e a rc o n t r o lo fe l e c t r o m a g n e t i c d o c k i n g t h ee f f e c to fe a r t h sm a g n e t i cf i e l do ns a t e l l i t e sw i t l le l e c t r o m a g n e t i cd o c k i n g s y s t e mi sa n a l y z e d t h es i m u l a t i o nr e s u t ss h o wt h ef o r c e sp r o d u c e db yt h ee a r t h s m a g n e t i cf i e l da r en e g l i g i b l e ，b u tt h et o r q u e s e sp r o d u c e db yt h ee a r t h sm a g n e t i cf i e l d s h o u l db ec o n s i d e r e d s e c o n d l y , u s i n g p i dc o n t r o la n ds l i d i n gc o n t r o lm e t h o d s ，n o n l i n e rc o n t r o l a l g o r i t h m sf o rs i m p l i f i e de l e c t r o m a g n e t i cd o c k i n gg r o u n dp r o t o t y p ea r ed e s i g n e da n d c o m p a r e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sv a l i d a t et h ee f f i c i e n c yo ft h ec o n t r o la l g o r i t h m s f i n a l l y , t h ed e s i g na n de x p e r i m e n to ft h em e a s u r e m e n ta n dv a l i d a t i o ns y s t e mo f t h ee l e c t r o m a g n e t i cd o c k i n gc o n c e p ta r ed e s c r i b e d ，t h ee l e c t r o m a g n e t sa r ed e s i g n e d ， a n dt h ef u r t h e re x p e r i m e n t sa r ed i s c u s s e d a tp r e s e n t ，t h es t u d yo ne l e c t r o m a g n e t i cd o c k i n gt e c h n o l o g yo fs p a c e c r a f tr e m a i n s c o n c e p td e s i g n ，t h e r ea r es o m eo fu n s o l v e dp r o b l e m sb o t hi nt h e o r ya n de n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n s t h i st h e s i sp r e s e n t ss o m ep r e l i m i n a r yr e s e a r c hr e s u l t sa b o u tt h ed y n a m i c s a n dc o n t r o lo fe l e c t r o m a g n e t i cd o c k i n g ，w h i c hl a yt h ef o u n d a t i o n sf o rf u r t h e rr e s e a r c h o nt h ed e s i g na n de x p e r i m e n to fe l e c t r o m a g n e t i cd o c k i n gs y s t e m t h ef u r t h e r i n v e s t i g a t i o n w i l lf o c u s e do nt h en o n l i n e a rc o n t r o ls t r a t e g i e sf o re l e c t r o m a g n e t i c d o c k i n go fo n - o r b i ts p a c e c r a f ta n dt h eg r o u n dd e m o n s t r a t i o nt e c h n o l o g i e s k e yw o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i cf o r c e ，e l e c t r o m a g n e t i cd o c k i n g ，n o n l i n e a r c o n t r o l ，m e a s u r ea n dc o n t r o i 第i i 页 国防科技大学研究生院硕士学位论文 图目录 图1 1 对接过程示意图1 图1 2 电磁对接原理示意图3 图1 3 微型自治太空船外机器入照相机地面气浮实验示意图5 图1 4 在轨自治服务卫星电磁系统示意图5 图1 5 在轨自治服务卫星地面实验示意图。5 图1 6 电磁编队飞行卫星结构图。6 图1 7 电磁编队飞行系统地面测试设备及参数。6 图1 8 在微重力条件下电磁导引自治对接和分离的实验示意图7 图1 9 论文基本组织结构9 图2 1 载流圆线圈的磁场1 l 图2 2 两个载流线圈的相关坐标系1 3 图2 3 两个载流线圈间的各个矢量1 3 图2 4 两个载流线圈之间的各个参数1 6 图2 5 一个甲面内的两个偶极子线圈1 7 图2 6x 方向上的力的误差百分比1 8 图2 7z 方向上的力的误差百分比1 9 图2 8y 方向上的力矩的误差百分比1 9 图2 9 三维模型的误差百分比2 0 图2 1o 两个载流线圈平面示意图一2 3 图2 1 1 两个载流多线圈示意图2 6 图2 1 2 两个载流多线圈分解示意图2 7 图3 1 干扰力和两颗卫星之间的电磁力的比较。3 2 图3 2 干扰力与卫星之间的电磁力的比值3 2 图3 3 干扰力矩和两颗卫星之间的电磁力矩的比较3 4 图3 4 干扰力矩与卫星间电磁力矩相等的情况3 4 图3 5 干扰力矩与卫星之间的电磁力矩的比值3 5 图3 6 磁感应强度分解方向3 6 图4 1 地面电磁力柔性对接过程示意图3 8 图4 2 地面惯性坐标系和相对坐标系3 9 图4 3 电磁对接包络线示意图3 9 图4 4 一维电磁力对接示意图4 1 图4 5p i d 控制原理框图4 1 第1 v 页 国防科技大学研究生院硕上学位论文 图4 6 一维p d 控制结构图4 2 图4 7 一维内环控制结构图4 3 图4 8 二维p d 控制器设计的流程图4 6 图4 9 规划路径和实际路径的比较4 7 图4 1 0 实际速度随时间变化的关系4 9 图4 11 电流随时间变化的关系一4 8 图4 1 2 理论力和实际力随时间变化的关系4 9 图4 1 3 偏差力随时间变化的规律4 8 图4 1 4 规划路径和实际路径的比较5 0 图4 1 5d 方向的速度随时间变化的关系4 9 图4 1 6 万和矽随时间变化的关系5 1 图4 1 7 万方向的速度随时间变化的关系5 0 图4 1 8d 方向内环偏差力随时间变化的关系5 l 图4 1 9 电流随时间变化的关系5 0 图4 2 0 二维滑模控制设计流程图。5 6 图4 2 1 期望路径和实际路径的比较5 8 图4 2 2 实际速度随时间变化的关系5 7 图4 2 3 控制量随时间变化的关系5 8 图4 2 4 方向期望路径和实际路径比较6 0 图4 2 5d 方向速度随时间变化的关系5 9 图4 2 6 万方向角度随时间变化的关系6 0 图4 2 7 万方向速度随时问变化的关系5 9 图4 2 8 电流随时间变化的关系6 0 图4 2 9 姿态角妒随时间变化的关系5 9 图5 1 电磁力测量与控制系统结构示意图6 2 图5 2 电磁交会对接测量和控制系统一控制柜和位置传动结构6 2 图5 3 机械运动与驱动装置原理框图6 3 图5 4 力力矩传感器6 4 图5 5 传感器数据采集系统6 4 图5 6 电磁驱动分系统原理框图6 4 图5 7 电磁力测量与控制系统软件界面6 5 图5 8 软件结构示意图6 6 图5 9 软件流程6 7 图5 1o 电磁试验件结构图一6 8 第v 页 国防科技大学研究生院硕士学位论文 图5 11 一维电磁力测量数据6 9 图5 1 2x 方向电磁力测量数据7 0 图5 13y 方向电磁力测量数据7 0 图5 1 4 电磁力距测量数据7 l 图5 1 5 电磁体结构图7 2 图5 1 6 基于气浮台的电磁对接地面实验系统示意图一7 5 第v f 页 国防科技大学研究生院硕士学位论文 表目录 表5 1 一维模型电磁力和力矩测量方案6 8 表5 2 二维模型电磁力和力矩测量方案6 9 表5 3 电磁线圈的电、质量特性7 3 表5 4 一维模型电磁力和力矩测量方案7 3 表5 5 二维模型电磁力和力矩测量方案7 4 第l i i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他入已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目： 空阊壑整数接叠左堂狸控剑丑窥 学位论文作者签名：至蕉 日期：翮年2 月日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目：空闻垫磁盘接遨左堂塑撞剑盟究 学位论文作者签名：善压 懒蝴摊：一 日期：加辟亿月日 日期：例妒年f 月少日 国防科技大学研究生院硕_ 上学位论文 第一章绪论 1 1 交会对接概念与技术发展 航天器交会对接是指两个航天器( 一个称为目标航天器，另一个称为追踪航 天器) 于同一时间在轨道同一位置以相同速度相会合并在结构上连成一个整体的 技术。对于很多空间任务而言，包括大型航天器的在轨组装，空间站的补给与航 天员的替换，航天器在轨维修，航天器的捕获与回收，在月球和行星返回任务中 在轨飞行器与着陆器的连接等，交会对接都是一项关键的操作技术。 从任务特点分析，交会对接过程由一系列轨道机动和受控轨道组成，它能将 追踪航天器逐渐引导到目标航天器附近并接近，并最终与其对接。为此，必须控 制追踪航天器满足对接过程所要求的位置、速度、姿态和角速度等严格的限制条 件。一般而言，航天器交会对接任务可以划分为发射与入轨、调相与轨道转移、 远距离交会、近距离交会和对接等五个阶段，其中近距离交会与对接是关系航天 器交会对接任务能否成功与安全的关键。 近距离交会通常分为接近和最后接近两个子阶段。接近阶段的目的是减小与 目标航天器的距离，使追踪航天器在位置、速度、姿态、角速度上做好准备，可 以在安全走廊约束下沿适当的接近轴启动最后接近；最后接近阶段的目标是使位 置、速度、相对姿态和角速度满足对接条件。当然，在接近和最终接近子阶段之 间没有明确的界限。交会接近路径规划技术、沿规划路径的导航与控制策略及算 法是近距离交会阶段研究的重点问题。 对接是指追踪航天器的g n c 系统控制必要的飞行状态参数，确保其捕获接口 进入目标航天器的捕获接口并实现物理连接，如图1 1 所示，工作过程主要包括 以下几个阶段： 叠名倒 m m j o n 图1 1 对接过程示意图 ( 1 ) 减小接近速度和对准误差。在抵达对接轴的过程中和或达到以后，追踪 航天器将其接近速度减小至最终值。为了避免在最后几米进行制动推进导致羽流 冲击和污染，一般从最后接近阶段直至接触这段时间内，速度是保持不变的。 第1 页 国防科技大学研究牛院硕士学位论文 ( 2 ) 接收。两个航天器的对接接口进入对方的接收范围内，两个航天器之间 发生物理接触，并可能对相应的对接接口进行捕获。为了能够补偿追踪航天器相 对目标飞行器的所有剩余误差，接收范围必须足够大。接收范围还必须考虑完成 捕获前的第一次接触所可能发生的所有反弹。 ( 3 ) 碰撞缓冲。采用减震结构，减小由碰撞引起的在两个航天器结构上的冲 击，减小反弹速度，增大捕获过程的可用时间。 ( 4 ) 捕获。进入接收范围后，双方的捕获接口结构可互相引导( 由于缓冲系 统的作用) 达到对准的状态，在此状态下可实现捕获。捕获后，两个航天器仍然 仅是相对松散地互相连接在一起，且剩余距离及测向和角度对准误差通常会造成 结构锁无法立即闭合。 ( 5 ) 回退和结构对准。采用一个回退装置将两个航天器的对接接口平面拉回 到一起，这通常包括额外的机械引导设备( 如销钉圆锥、球形凹槽) ，以确保在回 退运动过程提高对准度。 ( 6 ) 结构连接。在预加载荷下将两个接口平面压在一起，以确保牢固的结构 连接，使结合的航天器能够承受在操作过程中可能产生的所有负荷条件。 ( 7 ) 设备连通。依据任务不同，在两个航天器进行动力和数据的电气连接和 液路气路连接。设备连通完成后，追踪飞行器的系统可由目标直接监视和控制( 必 要的话) 。 从上述对接工作过程可以看出，尽可能减小对接接近速度，减低对接误差， 对简化对接机构、提高对接安全性和可靠性都具有重要作用，因此，发展相关技 术成为航天器对接系统设计的一个重要方向，这也是本文开展电磁对接动力学与 控制研究选题的一个重要考虑。 早在2 0 世纪6 0 年代，美、苏( 俄罗斯) 两国就掌握了交会对接技术。1 9 6 6 年3 月1 6 日，美国的双子星( g e m i n i ) 飞船在两名宇航员的控制下，首次完成了 与无人的“阿金娜”目标航天器的交会对接，标志着载人航天交会对接进入空间 应用阶段。此后，美国的阿波罗飞船、空间实验室、航天飞机，俄罗斯( 苏联) 的礼炮号、和平号空间站、联盟号载人飞船、进步号无人飞船多次完成了交会对 接任务。从2 0 世纪9 0 年代末开始的国际空间站建设，主要是通过交会对接来完 成在轨组装、航天员替换和物资补给等任务。为此，国际空间站提供了多个对接 接口，包括与航天飞机对接的v - b a r 和r b a r 接口、与联盟号载人飞船和进步号无 人飞船对接的v - b a r 和r 。b a r 接口以及与欧洲a t v 航天器和日本h t v 航天器的对 接接口。航天飞机负责运送货物和宇航员，联盟号飞船负责运送宇航员，进步号 无人飞船负责运送货物、加注燃料和进行推进。 进入2 1 世纪，随着在轨服务与空间对抗技术的发展，自主交会对接技术得到 第2 页 国防科技大学研究生院硕士学位论文 了世界主要航天大国的高度重视。2 0 0 7 年，美国的“轨道快车”计划通过两个航 天器自主交会对接与机械臂抓捕两种方式，成功演示了航天器在轨加注与模块更 换功能，标志着自主交会对接技术取得了新的突破。我国载人航天工程在今年圆 满完成航天员出舱活动后，下一步将完成无人飞船与目标航天器的交会对接。可 以预见，未来空间交会对接应用将成为航天领域一个不断发展的重要方向。 1 2 航天器电磁对接原理与特点 目前航天器对接主要采用基于反冲作用的推力器来提供对接航天器位置与速 度控制所需的动力，虽然这种方式在技术上已经成熟，工程上也得到了广泛应用， 但是从提高性能和系统优化的应用需求分析，这种方式还存在两大问题。一是对 接过程需要消耗推进剂，而推进剂量直接影响航天器的任务寿命，随着空问交会 对接任务的广泛应用，需要开发一种长期、可持续能源供给的对接驱动方式：二 是为了降低接近速度追踪航天器必须采用反方向的力进行制动，即推力方向指 向目标航天器，在两者很接近时，推力器排出羽流将会给对接任务带来不利影响， 包括羽流作用引起目标航天器姿态和位置扰动，羽流热载荷引起目标航天器结构 上的热负载，羽流中燃烧生成物或未燃烧的推进剂可能给目标航天器表面敏感元 件、尤其是光学镜头或对接机构的密封元件带来污染等。为了解决上述问题，近 年来，一种基于电磁作用力的航天器对接技术引起了人们的研究兴趣。 我们知道，相距不远的两个由导电线圈组成的电磁体通电后将产生相互作用 力力矩，作用力仂矩的方向和大小取决于电磁体之间的位置与方位，以及线圈电 流的方向与大小。如果我们设想在追踪航天器和目标航天器上安装相应的电磁机 构，通过适当的控制，从原理上就可以实现追踪航天器与目标航天器的对接，本 文称之为电磁对接，如图l2 所示。 图12 电磁对接原理示意图 相比传统的基于推力器的对接方式，电磁对接具有以下显著特点： ( 1 ) 克服推力器羽流对目标航天器的冲击干扰与污染； ( 2 ) 采用可再生的星上太阳能系统提供驱动能源，减少了推进剂消耗 第3 页 囊。 睁幸一 h：。 、砧雌 国防科技大学研究生院硕j j j 学位论文 ( 3 ) 在对接过程中通过对电磁力正反方向、大小的连续控制，理论上可以将 对接冲击速度控制到o m s ，实现无冲击的柔性对接； ( 4 ) 电磁力矩还可实现两个航天器对接轴的自动对准。 与上述特点相比，从原理上讲，电磁对接技术也有一定的局限性。首先，现 有技术条件下能够提供的电磁力量级还较小，只能满足微小型航天器对接的驱动 需求；其次，由于两个电磁体相互作用力的大小随它们之间的距离增加衰减很大， 考虑到星上电源功率的限制，电磁力产生作用一般在两个航天器相距1 5 米的近距 离范围内，之前的交会接近仍然需要依赖传统的推力器提供动力；最后，电磁力 力矩与两个对接航天器之间的距离和方位高度敏感、相互耦合，具有强非线性特 性，对接过程控制策略与算法研究成为新的技术难点，另外电磁体的存在也有可 能影响星上电子系统或部件的正常工作，这些都给电磁对接系统设计与应用增加 了难度。 1 3国内外相关研究现状及发展趋势 目前，国际上与本课题研究密切相关的研究工作除了电磁对接方面的研究外， 另外一个工作集中在电磁编队飞行方面。对航天器编队飞行而言，由于存在地球 扁率、大气阻力、太阳光压等各种摄动因素的影响，通常需要采用推力器对成员 卫星的相对位置与姿态进行控制，以维持编队构型。电磁编队飞行就是利用成员 卫星之问产生的电磁力力矩实现编队构型的保持与控制，其带来的好处与电磁对 接类似。虽然电磁编队飞行与电磁对接在工作方式和技术细节上存在彳 同，但是 两方面研究都涉及到电磁系统设计与建模仿真、非线性控制、地面实验验证等方 面共性问题。综合各方面分析，国际上开展电磁编队飞行与电磁对接技术的研究 始于2 0 0 0 年，主要研究单位是美国n a s a 约翰逊空间中心和麻省理工学院，另外 美国的华盛顿大学、德克萨斯大学也开展了相关研究项目。下面从电磁系统设计 与实验，电磁力力矩建模仿真、非线性控制技术等方面概要介绍目前国际上相关 研究工作进展。 1 3 1 电磁系统设计与实验 1 3 1 in a s a 约翰逊空间中心“m i n i a e r c a m 项目 n a s a 约翰逊空间中心“m i n i a e r c a m ( m i n i a t u r ea u t o m o u se x t r a v e h i c u l a r r o b o t i cc a m e r a ) 项目n 删主要研究微型自治太空船外机器人照相机的设计。 m i n i a e r c a m 是指一个直径约2 0 0 c m 质量约5 k g 可在国际空间站周围自由飞行的 小型机器人照相机，用于观察国际空间站或航天飞机的照相机难以观察的地方。 为了更好地实现机器人照相机与空间站的多次对接和分离，2 0 0 4 年计划对 第4 页 国防科技大学研究生院硕士学位论文 m i n i a e r c a m 增加一个电磁对接系统该系统包含传感器和电磁对接机构，并开 发了一个地面实验系统，通过实验系统来测量电磁系统的轴向力随三维相对位置 的变化并指导电磁系统的设计设计的电磁系统和实验装置如图l3 所示。 图 1 3 1 2 华盛顿大学“o a s i s ”项目 华盛顿大学o a s i s ”( o n o r b i t a u t o n o m o u s s e r v i c i n gs a t e l l i t e ) 项目1 主要研 究在轨自治服务卫星的分析和设计。该卫星采用了电磁力进行交会对接，为了验 证在轨服务卫星实现电磁交会对接的可行性，华盛顿大学设计了一个电磁系统， 该系统是一个通电螺线管，如图14 所示，半径为1 55 c m ，高度3 c m ，线圈为铜 导线，匝数为2 0 0 0 ，质量小于5 0 0 9 。当线圈功率为04 w 电流为0 0 3 a 时，经过 仿真计算，该电磁对接系统可实现两个小卫星从距离l m 到0 m 的对接对接过程 的持续时间约2 0 分钟。为了进一步验证电磁交会对接控制的有效性，华盛顿大学 还设计了一个二维地面实验，实验装置描述如图1 5 所示该实验通过控制电磁系 统的电流来改变对接速度，晟后实现柔性对接。 3 lc m 图i4 在轨自治服务卫星电磁系统示意图 图15 在轨自治服务卫星地面实验示意国 1 3 1 3 麻省理工学脘的“e m f f ”项日 麻省理工学院 e m i 。f ”( e l e e t r o n m g n e t i e f o r m a t i o n f l i g h t ) 项目“”主要研究如 第5 页 国防科技大学研究生院硕上学位论文 何利用电磁力，力矩实现卫星编队构型的保持与控制。为了研究采用超导线圈实现 微小卫星电磁编队飞行的可行性，学院空间系统实验室设计了一个专门的电磁系 统，如图1 6 所示。该系统由三个相互垂直的超导线圈组成，且线圈半径大于卫星 半径。超导线圈电流源采用了一套高能量密度的镍化氯( n i ) 电池组，可以提 供4 5 a 的连续电流和1 2 0 a 的瞬间峰值电流，电磁系统功率需求在5 0 1 0 0 w 范围。 为了提供超导线圈工作需要的低温条件( 1 1 5 k ) ，综合采用了被动和主动的热 控方式，主要冷却装置采用了已在空间望远镜s p i t z e r 系统成功应用的冷却器质 量27 干克功率l5 0 瓦。研究结果表明：对3 0 0 干克的小卫星，实现电磁编队飞 行的电磁系统质量小于3 0 千克，所提供的电磁力作用距离可达到4 3 米。 r 1 l l 一 r l _ 图l6 电磁编队飞行卫星结构图 为了证明电磁系统的可行性、检验磁场的交互作用和验证控制算法的有效性， 麻省理工学院还设计了相应的仿真测试系统，如图i7 所示。该系统由一个测试床 和两个测试运载器组成测试床由一个无摩擦的气垫装置支持，测试运载器包岔 了两个相互垂直的高温超导线圈和一个在垂直轴疗向产生转矩的单反作用飞 轮，测试设备的参数如图i7 所示。麻省理工学院进行了一些实验，实验证明了高 温超导线圈设计以及相应的能量系统设计等关键技术，朱来的实验还需要验证低 温冷却与热控、有效的近场电磁极相互作用算法、非线性动力学与控制、分布式 控制等关键技术。 图17 电磁编队飞行系统地面测试设备及参数 1 3 1 4 德克萨斯大学“e g a d s ”项目 德克萨斯大学 e g a d s ”( e l e c t r o m a g n e t i c a l l yg u i d e d a u t o n o m o u s d o c k i n ga n d s e p a r a t i o n i n m i c r o - g r a v i t y ) 项目主要研究在微重力条件下电磁导 i 自治对接和 第6 页 溷霾碡蓬医翻雷 举，函一盘誊薹 国防科技大学研究生院硕士学位论文 分离。为了实现两个航天器在轨道上的对接和分离，德克萨斯大学设计研究了一 个新的电磁分离对接装置。为了模拟空间环境并验证这个概念的可行性，德克萨 斯大学设计一个在微重力条件下的自治对接和分离实验，如图1 8 所示。该实验 装置两侧的电磁系统是由七个通电螺线管排列组成，实验装置中间的磁铁在微重 力条件下漂浮通过控制两侧电磁系统的电流来实现中间磁铁与两侧电磁系统的 反复对接和分离。该研究小组希望2 0 0 7 年通过航天器在太空进行微重力条件下的 对接和分离实验但最终实验是否如期进行且前还没有相关报道。 图l8 在微重力条件下电磁导引自治对接和分离的实验示意图 1 3 2 电磁力，力矩建模仿真 电磁模型是电磁力控制研究的前提，是设计和实现电磁编队飞行或交会对接 系统的基础。目前电磁模型的研究仅限于物理教材中特殊线圈排列产生的磁场和 载流导线在均匀磁场中的受力，缺少对具体电磁模型产生的磁场和受到的力与力 矩的系统研究。 在电磁力，力矩模型方面，国内外相关的研究较少。根据目前公开查阅到的资 料麻省理工学院a d a m 在2 0 0 5 年发表的博士论文“”中进行了一定的研究。根据 电磁力作用特性，该文提出了近场模型、中场模型和远场模型的研究思路，通过 对麦克斯韦微分方程组矢量求导和积分得到了相关的近场模型、中场模型和远场 模型。近场模型是一个精确模型，适用于航天器之间的任意距离，但它形式比较 复杂，电磁力和力矩是由一系列的双重积分表示。对近场模型取泰勒一阶展开进 行线性化得到远场模型，该模型在航天器之间的距离至少大于6 - 8 倍线圈半径的范 围内才有效，它形式简单，不含有任何积分，便于应用。取泰勒展开的更高级数 可得到中场模型，中场模型的适用距离比远场模型大，航天器之间距离大于3 _ 4 倍线圈半径是较精确的，它形式比远场模型复杂，不包含积分。 本文借鉴了近场模型、中场模型和远扬模型的研究思路利用毕奥萨伐尔定 律，通过几何方法推导出了载流单线圈的近场模型、中场模型和远场模型，得到 了一致的结果。 第7 页 同防科技大学研究生院硕土学位论文 1 3 3 非线性控制技术 非线性系统控制一直是控制领域中倍受关注的一个研究方向，这是因为在许多 领域( 例如飞机和宇宙飞船控制、机器人、过程控制、生物医学工程、电力系统 等) 都存在着强烈的非线性。非线性控制理论研究内容丰富，方法多种多样很难 全部概括。目前主要集中在以下几个方面：( 1 ) 反馈线性化( 2 ) 非线性p i d 鲁棒 控制( 3 ) 滑模控制( 4 ) 自适应控制( 5 ) 智能控制( 6 ) 特殊的非线性控制方法 ( 7 ) 几种非线性摔制方法的结台等。 目前，许多非线性控制技术已经发展成熟，对于一个具体的非线性系统可以选 择多种非线性控制方法进行拄制。例如一个典型的非线性系统叫l 械手的控制 问题，既可以采用滑模 孛制、自适应控制以及模糊拧制，也可以采f f j 复合的自适 应鲁棒控制。 电磁系统是一个典型的非线性系统，目前对于电磁系统的控制研究主要集中于 磁悬浮驱动系统。例如，文献【2l 】导出了6 自由度磁悬浮驱动系统的非线性电磁力 模型并采用反馈线性化方法和电磁力分配，咀及移动的每个自由度采用鲁棒以 控制，实现了超精度移动挣制。但磁悬浮系统和用丁对接的电磁系统结构不同， 电磁力模型相差很大，所以控制方法也有所小同。 在电磁编队飞行的动力学模型与非线性控制方面，麻省理工学院e l i a s 进行了 深入研究“剖。首先，针对两个航天器构成的电磁编队，利用k a n e 方法建立了编队 的非线性动力学模型，其中电磁作用模型采用三个相互垂直的远场模型的叠加。 根据两航天器的标称柏刘距离别模型进行了线性化处理，对得到的线性系统进行 了稳定性和可控性分析。针剥线性系统，通过最优控制中的线性二次规划方法设 计了相应的控制器。仿真验证结果表明：当两个航天嚣相对距离误差( 与标称距 离相比) 为1o 3 5 时，虽然线性化模型与非线性系统动力学模型相差较大，但 应用最优控制器的非线性系统仍足稳定的，直到相对距离误差达4 0 时，实际系 统才变的不稳定。因此，对电磁编队飞行而言。线性控制即使在偏离正常工况较 大的条件下也是有效和适用的。 对于电磁交会对接的非线性控制问题，由于航天器之间的相对距离随时间变 化，上述标称距离线性化的方法不可行，需要研究特殊的线性化方法，比如分段 线性化或沿特定路径进行线性化处理的方法。还有一种途径就是研究适合电磁交 会对接的复杂非线性控制方法与策略，目前这方面国内外尚未见到公开的研究成 果。 第8 页 国防科技大学研究生院硕： j 学位论文 1 4 本文的主要研究内容 本文初步分析了电磁对接的动力学与控制。首先建立了电磁作用力和力矩模 型，接着以偶极子模型为基础分析了地球磁场在电磁对接过程中对卫星的影响， 然后研究了电磁对接的两种非线性控制方法，最后描述了电磁力地面测量控制系 统并设计了实验试件和实验方案。各章的组织结构关系如图1 9 所示。 图1 9 论文基本组织结构 各章的主要内容如下： 第一章绪论。介绍了空间交会对接的基本概念和技术发展，分析了航天器电磁 对接的原理和特点，从电磁系统设计与实验、电磁力力矩建模仿真和非线性控制 技术这三个方面综述了国际上的相关研究进展，提出了论文研究的思路和主要内 容。 第二章建立了电磁作用力和力矩模型。根据电磁场基本理论推导出单线圈的三 种模型，即精确模型、远场模型和中场模型，并对单线圈远场模型进行了一定的 转换和化简，根据单线圈模型的叠加推导出多线圈的二维远场模型。 第三章研究地球磁场的影响。介绍了地球磁场的模型，分析了在电磁对接过程 中地球磁场产生的干扰力和干扰力矩对卫星的影响，给出了干扰力矩的计算公式。 第四章研究了电磁力柔性对接非线性控制策略。描述了地面简化条件下的电磁 对接控制问题，并分别采用了变参数p d 控制和滑模控制方法建立了相应的非线性 控制策略，最后对这两种控制策略进行了比较。 第五章描述了电磁力地面测量控制系统设计并介绍了相关的地面验证实验。分 析了电磁力地面实验测量的需求，描述了电磁力地面测量控制系统的组成和结构， 分析了实验测量拟合的电磁模型并验证了第二章单线圈模型理论，探讨了电磁对 接地面控制演示验证实验。 最后，在结束语中对全文的主要研究成果进行了总结，并提出了进一步研究工 作的建议。 第9 页 国防科技大学研究生院硕士学位论文 第二章电磁作用力与力矩模型 2 1 概述 建立两个电磁体之间的电磁作用力与力矩模型，是研究电磁对接动力学和控制 问题的基础。航天器对接过程中，电磁作用力与力矩和两者之间的相对距离和姿 态呈现复杂的非线性关系，并且相互耦合，增加了电磁对接系统设计与实现的技 术难度。通过研究电磁作用力与力矩建模问题，一方面可以使我们从理论上进一 步认识电磁对接系统的特性，另一方面也提供了开展电磁对接动力学与控制研究 的对象模型。 电磁作用力和力矩建模主要依据电磁场的基本理论乜2 | 。根据毕奥一萨伐尔定律， 载流线圈在空间某点所产生的磁感应强度为： 豆：兰生f 旦二d 旷 ( 2 1 ) a 程丑f 式中，d v 为体积单元( m 3 ) ，该处的电流密度为6 ( a m 2 ) ，为d 矿至观察 点的距离( m ) ，尹为d 矿至观察点的矢量( m ) 。 对于线状电流，由于8 d v = i d l ，因此上式可写成 豆：型f 皇坚 ( 2 2 ) 4 冗j lr 3 式中的胁是真空的磁导率，t o = 4 n x l o 。7 亨米( h m ) 。b 的单位是特斯拉 ( t ) 。 载流导线在磁场中会受到磁力的作用，根据安培定律可得： f = li d lxb ( 2 3 ) 一 ， 一一 也 式中云为各电流元所在处的磁感应强度矢量。 当然，根据上述公式，必须进行一定的假设和边界条件约束，才能得到显式的 解析模型。本章针对单线圈假设，推导出了电磁力力矩的精确模型、远场模型和 中场模型，在此基础上通过单线圈的叠加，得到了多线圈的二维远场模型。本章 建立的模型是后续动力学与控制研究的理论基础。 2 2 单线圈模型 单一的载流圆线圈是一种很简单的电磁模型。根据电磁场的基本理论，可以 推导出单线圈的精确模型，但它包含不能解析求解的积分。通过对积分项进行泰 勒展开可以获得单线圈的近似解析模型，即远场模型和中场模型。远场模型采用 第1 0 页 国防科技大学研究牛院硕士学位论文 了一阶泰勒展开项，形