一种防止气球吊篮在退出控制状态过程中剧烈晃动的方法
【专利摘要】本发明提供一种防止气球吊篮在退出控制状态过程中剧烈晃动的方法，适用于以反作用飞轮系统、反捻机构进行方位控制的气球吊篮。针对气球吊篮在退出控制状态过程中，飞轮在摩擦力矩和电机电磁定位力矩作用下角动量剧烈变化而导致的吊篮方位角剧烈晃动，在飞轮转速较高而需要退出控制状态时，提前对飞轮降速，以避免吊篮的晃动。具体方法为：控制器接到退出指令后，测量飞轮当前速度值，将其与事先设定的目标速度进行比较，根据比较结果向飞轮驱动电路发出降速信号；反作用飞轮系统和反捻机构子系统在接到降速指令后，进入降速状态，此时系统逻辑结构采用双闭环结构，降低飞轮转速；飞轮转速降到目标范围内时，停止降速，退出控制状态。
【专利说明】
一种防止气球吊篮在退出控制状态过程中剧烈晃动的方法
技术领域
[0001]本发明属于控制工程领域，特别涉及一种防止气球吊篮在退出控制状态过程中剧烈晃动的方法。
【背景技术】
[0002]气球吊篮，是指通过柔性连接(通常为缆绳)吊挂在气球、飞艇等浮空载体下方的设备搭载平台，有时也称作悬吊平台或浮空平台，在天文观测、气象、遥感、高能物理等科学领域有广阔的应用前景。
[0003]气球吊篮在正常工作时，需要对其方位姿态角(以下简称方位角)进行控制，以保证其上搭载的设备可以稳定工作。吊篮的方位角控制系统通常由两个子系统组成:反作用飞轮系统和反捻机构子系统。反作用飞轮系统测量吊篮方位角位置、方位角速度、以及飞轮转速，通过电机调整飞轮转速，利用飞轮角动量变化产生的反作用力矩实现吊篮方位角的稳定和调整。反捻机构通常有两个功能:一是解耦，测量气球吊绳上的扭矩，通过调整气球和吊篮的相对位置消除缆绳上的扭矩;二是卸荷，在飞轮转速接近饱和时，反捻电机提供额外的力矩使得飞轮电机转速回到零位。若飞轮处于高速旋转状态，而需要退出控制状态时，如果不对飞轮降速而突然撤去飞轮电机上的控制量，飞轮在摩擦力作用下急剧降速，其角动量变化造成的反作用力矩会引起吊篮剧烈晃动。对于一次性使用的吊篮及其搭载设备，这种剧烈的晃动对整个系统的正常工作没有影响，但是对于需要多次重复使用的设备，吊篮的剧烈晃动可能会对其本身及其上搭载设备造成损害。
[0004]目前尚没有公开发表的文献对吊篮在退出控制状态时的剧烈晃动现象加以讨论，本发明首次提出如何防止发生这一现象。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是:当气球吊篮在飞轮转速不为零且将要退出控制状态时，如何避免吊篮因飞轮突然失去控制后，在摩擦作用下自由减速而导致晃动的问题。
[0006]本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是:一种防止气球吊篮在退出控制状态过程中剧烈晃动的方法，适用于含有反作用飞轮(以下简称飞轮)子系统、反捻机构子系统的气球吊篮，适用于飞轮转速较高(如大于50r/min)，且需要退出姿态控制状态的场合(此时若直接撤去控制量，飞轮在摩擦力矩和电机电磁定位力矩作用下角动量剧烈变化，其反作用力矩会引起吊篮篮体在方位角上的剧烈晃动)。反作用飞轮系统的控制器接到地面发出的退出指令后，设置一个接近于O的目标转速(如低于0.5r/min)，同时通过测速传感器，获取飞轮当前转速，根据飞轮当前实际转速与目标转速的差值，向反作用飞轮系统和反捻机构子系统发出降速指令，两子系统进入降速状态，当飞轮转速降低至目标范围内时撤去该指令，切断电源，退出控制状态。
[0007]利用气球吊篮姿态控制系统现有的硬件结构含反作用飞轮子系统和反捻机构子系统，只改变控制策略，在接到控制退出指令后，对反作用飞轮降速，直至转速接近于O时，退出控制状态。具体实施步骤为:
[0008](I)接到地面传来的退出指令后，反作用飞轮系统控制器读取当前飞轮旋转方向及转速，判断是否需要降速。
[0009](2)如果需要降速，反作用飞轮系统控制器向反作用飞轮系统和反捻机构发出指令，进入降速状态。此时，反捻机构提供主动力矩，而反作用飞轮系统则工作在吊篮方位角位置闭环或方位角速度闭环状态，二者配合作用，飞轮平稳降速，其角动量变化缓慢不至于引起吊篮晃动。
[0010](3)控制器继续读取飞轮转速及方向，当转速降至目标范围内时，停止降速。
[0011 ] (4)退出控制状态，关闭驱动器使能，关闭控制器。
[0012]本发明的原理如下:在退出控制状态前，逐步降低飞轮转速，这样飞轮角动量缓慢变化到零，当退出控制状态时，其角动量变化所引起的反作用扭矩，就不能再引起吊篮剧烈晃动。
[0013]本发明与现有技术相比具有如下优点:
[0014](I)现有技术没有对吊篮在退出控制状态过程中飞轮急剧减速引起的吊篮晃动进行讨论，并提出抑制这一现象的方法。
[0015](2)本发明提出的方法，适用于含有反作用飞轮系统、反捻机构的气球吊篮在转速较高时退出控制状态保持篮体方位角平稳。
【附图说明】
[0016]图1为本发明的实现的系统逻辑结构框图；
[0017]图2为本发明提出方法的软件流程图；
[0018]图3为本发明应用范例的实测实验数据曲线。
【具体实施方式】
[0019]以下说明本发明的实施例。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例对该领域的技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。
[0020]下面以某气球吊篮在飞轮转速不为零时需要退出控制状态的实施例为例对本发明进一步说明。
[0021]某气球吊篮已安装反作用飞轮子系统和反捻机构子系统。其中反作用飞轮子系统含:方位角测量器件(HMR3200智能数字磁场计)、方位角速度测量器件(CS-ARS-12，微机械陀螺仪)、带有A/D，D/A等接口的数字控制器，反作用飞轮及其驱动电机、驱动电路，飞轮转速测量器件(编码器)。反捻机构子系统含:电机及其驱动器、扭矩测量器件、控制器。当前转速约60r/min，系统将要退出控制状态，要求在降速过程中吊篮保持平稳，摆动幅度不超过2°。反作用飞轮系统的控制器接到退出指令后即进入降速状态，此时系统按以下步骤完成退出过程:
[0022](I)接到退出指令后，控制器设定目标转速为0.5r/min，测量当前飞轮转速，将其与目标转速进行比较，根据比较的结果确定飞轮是否需要降速。
[0023](2)若需要降速，控制器向反作用飞轮系统和反捻机构子系统发出指令，进入降速状态。此时整个系统的逻辑结构如图1所示，采用双闭环结构。反作用飞轮系统进入平台方位角闭环状态，维持当前方位角不变;反捻机构进入飞轮转速闭环，即根据飞轮转速是否降到目标转速决定是否主动提供力矩，该力矩迫使飞轮转速降低。
[0024](3)继续测量转速，当飞轮转速降至0.5r/min时，反捻机构不再主动提供力矩，同时，反作用飞轮系统也不再保持方位轴闭环，将控制驱动控制电路的驱动信号置为0V。
[0025](4)退出控制状态，关闭驱动器使能，关闭控制器。
[0026]以上控制算法在同一台数字控制器实现，软件实现流程参见附图2。
[0027]本实施例实测实验数据曲线如附图3所示:第一行为飞轮转速变化曲线，除1.9秒时因测量转速用的编码器跳码所致的转速瞬间跳变外(测量误差)，飞轮转速变化平稳;第二行为测量吊篮方位角速度的陀螺输出曲线，从图中可以看出，吊篮方位角速度接近于0，噪声幅度约为0.5V，对应8°/秒;第三行为吊篮方位角误差变化曲线，方位角误差整体拨动幅度在0.5度以内，10.99秒后，退出控制状态后，吊篮方位角无波动范围在2°以内。
[0028]本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。
【主权项】
1.一种防止气球吊篮在退出控制状态过程中剧烈晃动的方法，适用于含有反作用飞轮(以下简称飞轮)子系统、反捻机构子系统的气球吊篮，适用于需要退出姿态控制状态，但飞轮转速较高，直接撤去控制量可引起吊篮篮体晃动的场合，其特征在于:反作用飞轮系统的控制器接到地面发出的退出指令后，设置一个接近于O的目标转速，同时通过测速传感器，获取飞轮当前转速，根据飞轮当前实际转速与目标转速的差值，向反作用飞轮系统和反捻机构子系统发出降速指令，二者进入降速状态，飞轮缓慢降速，当飞轮转速降低至目标范围内时撤去该指令，退出控制状态。2.根据权利要求1所述的一种防止气球吊篮在退出控制状态过程中剧烈晃动的方法，其特征在于:飞轮在退出控制状态前，降速的方法可以是但不限于以下2种方法: (1)吊篮反作用飞轮子系统方位角闭环，由反捻机构主动提供力矩减速，飞轮在方位角闭环控制规律作用下减速； (2)吊篮反作用飞轮子系统方位角速度闭环，由反捻机构主动提供力矩减速，飞轮在方位角速度闭环控制规律作用下减速。
【文档编号】B64B1/00GK105882935SQ201610228606
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月13日
【发明人】于伟, 毛耀, 肖靖, 邓超, 刘琼
【申请人】于伟, 中国科学院光电技术研究所