Brevet FR2679345A1 — publié le 19930122

SYSTEME ET PROCEDE DE COMMANDE D'ATTITUDE DE VAISSEAU SPATIAL Cette invention concerne des vaisseaux spatiaux utilisant des systèmes d'application de couple à roue à réaction ou à volant d'inertie pour la commande d'attitude, et notamment des systèmes dans lesquels les effets de frottement de roue sont compensés. Il est bien connu que les vaisseaux spatiaux doivent être commandés et dirigés afin d'atteindre les résultats projetés La commande peut être effectuée par des propulseurs chimiques, mais ces propulseurs consomment du combustible, et ont tendance à réduire la vie utile du vaisseau spatial Lorsque cela est possible, les vaisseaux spatiaux utilisent généralement des moteurs-couples magnétiques, des roues à réaction ou des volants d'inertie (appelés ici roues à réaction), ou une combinaison de moteurs-couples magnétiques et de roues à réaction Un vaisseau spatial peut utiliser une seule roue à réaction, ou plusieurs roues à réaction Le brevet U S 5 020 744 décrit un vaisseau spatial ayant une seule roue à réaction. En principe, trois roues à réaction mutuellement orthogonales peuvent effectuer une commande triaxe complète Pour des raisons de fiabilité, quatre roues à réaction ou plus peuvent être avantageuses comme décrit dans la demande de brevet accordée U S 07/535 675, et dans le brevet U S 3 999 729. La commande d'attitude est généralement effectuée en comparant l'attitude désirée du vaisseau spatial avec l'orientation réelle, de quelque manière qu'elle soit mesurée, et en engendrant des signaux de commande de couple représentant le couple que l'on désire appliquer au corps du vaisseau spatial de manière à orienter l'attitude réelle vers l'attitude désirée Lorsque des moteurs-couples magnétiques sont utilisés, diverses compensations doivent être faites pour prendre en compte l'environnement magnétique, comme décrit dans la demande de brevet accordée U S 07/564 994. Dans les systèmes de commande à roue à réaction dans lesquels la vitesse de la roue passe par zéro, les effets de frottement dans les paliers de roue perturbent l'attitude, comme décrit dans le brevet U S 5 020 745. Comme décrit dans ce document, un signal de tremblement est appliqué lorsque la roue est à une vitesse faible pour lui apporter une énergie suffisante de manière à la dégager de la composante "d'adhérence" de frottement. Un système de commande d'attitude avec uen compensation de frottement améliorée est souhaité. Un système de commande d'attitude de vaisseau spatial comprend une source de signal de commande de couple Le signal de commande de couple est appliqué à un modèle de roue idéale, et la vitesse de la roue idéale en réponse au signal de commande de couple est calculée La différence entre la vitesse calculée de la roue idéale et la vitesse réelle de la roue à réaction est utilisée pour engendrer un signal d'erreur On effectue la somme du signal d'erreur avec le signal de commande de couple pour entraîner la roue à réaction. Selon un premier aspect de l'invention, le système de commande d'attitude de vaisseau spatial comprend: un moyen générateur pour engendrer un signal de commande de couple; un moyen à roue(s) à réaction adapté pour réagir à un signal d'indication de couple en appliquant un couple audit vaisseau spatial; un moyen de contrôle de vitesse de roue(s) à réaction couplé au moyen à roue(s) à réaction pour engendrer des signaux de vitesse représentatifs de la vitesse du moyen à roue(s) à réaction; un moyen de couplage relié au moyen générateur, au moyen de contrôle de vitesse et au moyen à roue(s) à réaction pour modéliser la réponse d'une roue à réaction idéale en réponse au signal de commande de couple et pour établir la différence entre la vitesse calculée de la roue à réaction idéale sous l'influence du signal de commande de couple et la vitesse réelle du moyen à roue(s) à réaction telle que représentée par lesdits signaux de vitesse, afin de produire un signal d'erreur de vitesse et pour établir la somme du signal d'erreur de vitesse avec le signal de commande de couple afin de produire le signal d'application de couple pour entraîner le moyen à roue(s) à réaction. Selon un second aspect de l'invention, le système de commande d'attitude de vaisseau spatial comprend: un générateur de signaux de commande de couple; une roue à réaction adaptée pour réagir à un signal d'application de couple en appliquant un couple au vaisseau spatial; un dispositif de contrôle de vitesse de roue à réaction couplé à la roue à réaction pour engendrer des signaux de vitesse représentatifs de la vitesse de la roue à réaction; un système de logique couplé au générateur et au dispositif de contrôle pour modéliser la réponse d'une roue à réaction idéale en réponse au signal de commande de couple, et pour établir la différence entre la réponse de la roue à réaction idéale au signal de commande de couple et la vitesse réelle de la roue à réaction telle que représentée par les signaux de vitesse afin de produire un signal d'erreur; et un additionneur couplé au générateur, au système de logique et à la roue à réaction pour effectuer la somme du signal d'erreur avec le signal de commande de couple afin de former le signal d'application de couple pour entraîner la roue à réaction. Le procédé pour appliquer un couple à un vaisseau spatial, conformément à l'invention, comprend les étapes suivantes: la génération de signaux de commande de couple représentant le couple que l'on désire communiquer au vaisseau spatial; le calcul de la vitesse qu'une roue de réaction idéale sans frottement atteindrait en réponse au signal de commande de couple; l'entraînement en rotation d'un ensemble de roue(s) à réaction; la mesure de la vitesse de l'ensemble de roue(s) à réaction; la génération de signaux d'erreur en réponse à la différence entre la vitesse de l'ensemble de roue(s) à réaction et la vitesse de la roue à réaction idéale; et la commande de l'ensemble de roue(s) à réaction en réponse à une combinaison des signaux de commande de couple et des signaux d'erreur. L'étape de commande peut comprendre l'étape de la sommation du signal de commande de couple et du signal d'erreur. L'étape de génération de signaux d'erreur peut comprendre les étapes suivantes: la génération des signaux de vitesse représentatifs de la différence entre la vitesse de l'ensemble de roue(s) à réaction et la vitesse de la roue à réaction idéale; l'intégration des signaux de vitesse pour former des signaux d'intégrale de vitesse, et la sommation des signaux proportionnels aux signaux de vitesse et aux signaux d'intégrale de vitesse pour former les signaux d'erreur. On va maintenant décrire la présente invention en se référant aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est un schéma fonctionnel simplifié du système de commande d'attitude d'un vaisseau spatial de l'art antérieur stabilisé suivant trois axes et comprenant quatre roues à réaction mutuellement obliques; la figure 2 est un schéma fonctionnel simplifié du système de commande d'attitude d'un vaisseau spatial stabilisé suivant trois axes conformément à l'invention, ce schéma illustrant la distribution des signaux de commande de couple, et la boucle d'asservissement fermée qui commande la vitesse des roues par contre-réaction; la figure 3 est un schéma fonctionnel simplifié d'une partie du système de la figure 2; et la figure 4 est un organigramme logique simplifié illustrant le traitement des signaux selon l'invention. Sur la figure 1, un vaisseau spatial désigné de façon générale par 10 comprend des détecteurs d'attitude, illustrés ensemble par le bloc 12 Ces détecteurs sont de types bien connus à usage spécifique, et peuvent comprendre des gyroscopes, des détecteurs d'horizon terrestre et/ou des détecteurs d'étoiles pour engendrer des signaux représentatifs de l'attitude du vaisseau spatial Le bloc 12 peut également comprendre des estimateurs qui peuvent permettre d'estimer l'importance d'une composante d'attitude qui n'est pas directement détectée Les signaux représentatifs de l'attitude sont appliqués du bloc 12 à un bloc 14, qui représente un générateur de commande de couple Ce générateur est chargé d'informations concernant l'attitude désirée et les propriétés physiques du vaisseau spatial telles que l'inertie autour des divers axes, désignés x, y et z Le bloc 14 traite les informations concernant l'attitude en même temps que d'autres informations, telles que la vitesse de la roue à réaction, de manière à déterminer s'il faut utiliser des moteurs- couples magnétiques ou des propulseurs chimiques (non illustrés) S'il faut utiliser des roues à réaction, le bloc 14 engendre des signaux de commande de couple sur les circuits de données de x, y et z de manière à indiquer les couples qui sont nécessaires autour de ces axes pour que le vaisseau spatial adopte l'attitude souhaitée Les signaux de commande de couple sont appliqués à une loi de distribution sur les roues illustrées par un bloc 16 pour convertir les signaux de commande de couple souhaités en signaux d'entraînement de roue, dans lesquels les diverses roues mutuellement obliques sont entraînées de telle sorte que le couple net appliqué au vaisseau spatial est égal au couple commandé Les signaux de commande de roue sont appliqués sur des circuits 68, 70, 72 et 74 à des roues à réaction illustrées par les blocs 18, 20, 22 et 24 Les roues 18-24 (o le tiret représente le mot "à") sont mutuellement obliques de telle manière que la défaillance de l'une quelconque des roues laisse les roues qui fonctionnent avec une commande significative sur les trois axes orthogonaux Les roues 18-24 appliquent un couple au vaisseau spatial, et modifient son attitude La dynamique du vaisseau spatial est illustrée par le bloc 26 L'effet de la dynamique et le changement d'attitude affectent à leur tour les détecteurs du bloc 12, comme représenté par le circuit de rétroaction 28 Les spécialistes de la technique savent que la loi de distribution 16 peut être combinée avec le générateur 14 de commande de couple. Lors du fonctionnement du système de la figure 1, les diverses roues à réaction peuvent fonctionner à différentes vitesses angulaires En conséquence, les valeurs de la composante de frottement visqueux (fépendant de la vitesse) du frottement dans les paliers vont varier d'une roue à l'autre, même si les composantes de Coulomb (de roulement) du frottement dans les paliers sont égales. Cependant, même les forces de frottement de Coulomb peuvent être différentes Le frottement dans les paliers s'oppose à l'accélération d'une roue en réponse à l'application d'un signal d'entraînement de roue Par conséquent, une partie du signal d'entraînement de roue va accélérer la roue et produit ainsi une accélération ou un couple égal et opposé sur le vaisseau spatial, et une autre partie du signal de commande est utilisée pour surmonter le frottement, ce qui ne résulte pas en un couple utile Ainsi, le signal de commande de couple, tel que distribué et appliqué aux roues, va résulter en un couple appliqué au corps du vaisseau spatial qui est différent de celui qui était commandé Cette erreur de couple peut produire de grandes erreurs d'attitude lorsqu'une roue passe par la vitesse zéro parce que son couple de frottement de Coulomb change de signe En outre, lorsqu'une roue se maintient à la vitesse zéro, elle n'applique aucun couple au vaisseau spatial, alors même qu'un couple peut être commandé De même, des différences parmi les frottements des roues peuvent entraîner d'importantes erreurs d'attitude pendant la réorientation du vaisseau spatial ou lors de manoeuvres d'acquisition En raison de déséquilibres de frottement dans les configurations de roues obliques, l'application d'un couple sur un axe du vaisseau spatial va entraîner des erreurs de couple et d'attitude sur les deux autres axes. La figure 2 est un schéma fonctionnel simplifié d'un vaisseau spatial ayant un système de commande d'attitude selon l'invention Sur la figure 2, les éléments correspondant à ceux de la figure 1 sont désignés par les mêmes numéros de référence La figure 2 diffère de la figure 1 en ce qu'elle comprend des blocs 38, 40, 42 et 44 de compensation de frottement additionnels associés aux roues 18, 20, 22 et 24, respectivement, destinés à recevoir le signal de commande de couple du bloc de distribution 16, et à modéliser une roue idéale sans frottement ayant les mêmes caractéristiques d'inertie que la roue à laquelle il est associé Par exemple, le bloc 40 compensateur de frottement comprend des informations pour modéliser une roue idéale sans frottement ayant les mêmes caractéristiques que la roue 20 Comme décrit ci-après, chaque compensateur de frottement reçoit le signal de commande de couple qui lui est distribué, et "l'applique" au modèle afin de calculer la vitesse que la roue atteindrait de façon idéale en réponse à ce signal de commande de couple, et produit un signal d'entraînement de roue qui entraîne la roue vers la vitesse idéale Comme aide pour parvenir à cela, chaque compensateur 38-44 de frottement reçoit de sa roue associée 18-24, respectivement, des signaux représentatifs de la vitesse de la roue sur des circuits de données 48-54, respectivement. La figure 3 est un schéma fonctionnel simplifié du compensateur 40 de frottement représentatif, de la figure 2 Les compensateurs de frottement 38, 42 et 44 sont similaires Sur la figure 3, les éléments correspondant à ceux de la figure 2 sont désignés par les mêmes numéros de référence Sur la figure 3, le signal de commande de couple distribué au compensateur de frottement 40 par le bloc de distribution 16 est appliqué sur le circuit 70 à un circuit sommateur 78 et à un bloc logique 80 Le bloc 80 reçoit également des informations de vitesse par la roue 20 sur le circuit 50 Comme décrit ci-après, le bloc logique 80 traite les informations afin d'engendrer un signal d'erreur de couple représentant la différence entre la vitesse réelle de la roue et la vitesse qu'aurait une roue idéale sans frottement, et applique ce signal d'erreur sur un circuit 76 à une seconde entrée du circuit sommateur 78 Le circuit sommateur 78 additionne le signal de commande de il couple avec le signal d'erreur de manière à produire un signal d'entraînement de roue qui est appliqué pour entraîner la roue 20 Le compensateur de frottement 40 et ses connexions à la roue 20 forment un système de rétroaction qui entraîne les roues vers la vitesse idéale correspondant au signal de commande de couple entré, selon les contraintes de gain de rétroaction. La figure 4 est un organigramme logique illustrant le traitement récurrent qui se produit dans le bloc 40 de la figure 3 Des calculs correspondants se produisent pour les autres roues du vaisseau spatial En général, un passage complet à travers la logique de la figure 4 est effectué à chaque incrément de temps At o At peut être, par exemple, de 0,5 seconde L'incrément de temps peut être égal à la vitesse de cycle du système de commande d'attitude de vaisseau spatial, ou bien il peut être établi indépendamment. La logique de la figure 4 commence à un bloc de DEPART 410, et avance jusqu'à un bloc de décision 412 qui représente une comparaison du compte de l'horloge de REGLAGE avec un seuil, qui peut être, par exemple, une période de 5 minutes La roue idéale est périodiquement rajustée à la vitesse réelle de l'ensemble de roues à réaction RWA de manière à éviter que la vitesse calculée ne s'écarte trop de la réalité Si le temps d'horloge dépasse minutes, la logique quitte le bloc de décision 412 par la sortie NON et arrive au bloc 416 Le bloc 416 représente le réglage de la sortie (VITESSE IDEALE DE RWA) de l'intégrateur représentant la vitesse idéale de l'ensemble de roues à réaction (RW) à une valeur (vitesse de RWA) représentant la vitesse alors mesurée de la roue à réaction physique, VITESSE IDEALE DE RWA = Vitesse de RWA ( 1) Du bloc 416, la logique passe à un bloc 418 qui représente la remise à zéro de l'horloge de REGLAGE Du bloc 418, la logique revient au bloc de décision 412. Lorsque le compte de l'horloge de REGLAGE est inférieur à 5 minutes, la logique quitte le bloc de décision 412 par la sortie OUI, et arrive au bloc 420. Le bloc 420 intègre la vitesse angulaire de la roue idéale sur la période de l'horloge de REGLAGE Il calcule l'accélération de la roue idéale sur l'intervalle de temps (At) nécessaire pour une traversée de la logique à travers le circuit logique représenté par la figure 4, et à chaque traversée de la logique ajoute à la vitesse calculée de la roue idéale Plus particulièrement, l'accélération angulaire est calculée comme le quotient de la commande de couple divisé par l'inertie de RWA. Le quotient est multiplié par le temps incrémental At qui, comme mentionné, est égal à l'intervalle de temps entre le calcul, par exemple à 0,5 seconde, et le résultat est ajouté à la vitesse idéale de RWA. VITESSE IDEALE DE RWA = VITESSE IDEALE DE RWA + 0,5 * (COMMANDE DE COUPLE/INERTIE DE RWA) ( 2) o l'astérisque représente une multiplication et At est fixé à 0,5 seconde. Du bloc 420, la logique passe à un bloc 422 qui représente le calcul de la différence ou l'erreur entre la vitesse idéale de RWA et la vitesse mesurée de RWA, ERREUR DE COUPLE = VITESSE IDEALE DE RWA-VITESSE DE RWA ( 3) Du bloc 422, la logique passe à un bloc de décision 424 Le bloc 424 fixe un gain A à zéro ou bien à un, en fonction de la condition de commande du RWA physique Si la commande du RWA physique est limitée parce que son moteur d'application de couple a atteint sa limite de couple, le signal de COMMANDE DE COUPLE ne représente pas correctement le couple appliqué, et la logique quitte le bloc de décision 424 par le circuit OUI et arrive à un bloc 426 dans lequel le gain A est fixé à zéro pour des raisons décrites ci-après Si le couple de RWA n'a pas saturé, la logique quitte le bloc de décision 424 par le circuit NON, et arrive à un bloc 428 qui représente l'établissement du gain A à une unité Par le bloc 426 ou bien 428, la logique passe par un circuit 430 à un bloc 432. Le bloc 432 représente le calcul de l'intégrale de l'erreur INTEGRALE DE VITESSE = INTEGRALE DE VITESSE + A * (ERREUR DE VITESSE) ( 4) Le facteur A, lorsqu'il est égal à un, permet que se produise une intégration pendant des passages successifs à travers la logique de la figure 4, et empêche une intégration lorsque A=O Cela évite une combinaison d'une accélération erronée en calculant la vitesse idéale du RWA. Dans le bloc 432 est calculée l'erreur de commande ou erreur de couple nécessaire pour surmonter le frottement de la roue à réaction physique associée. ERREUR DE COMMANDE = (KP*ERREUR DE VITESSE) + (KI*INTEGRALE DE VITESSE) ( 5) o KP et KI sont les gains proportionnels et intégraux de compensation de fonction, respectivement La composante intégrale de vitesse est ajoutée à la composante proportionnelle pour donner une réponse stable dans la boucle de rétroaction. Enfin, la commande de couple corrigé est calculée comme la somme de la commande de couple réel plus l'erreur de couple COMMANDE DE COUPLE = COMMANDE DE COUPLE + ERREUR DE COMMANDE ( 6) après quoi la commande de couple corrigé est appliquée à la roue physique pour que sa vitesse approche de celle de la roue idéale, et la logique revient par un circuit 438 au bloc de départ 410. Lors du fonctionnement, les calculs représentés par la figure 4 sont effectués à des incréments de At qui peuvent être toutes les 0,5 secondes, et la commande de couple corrigé ainsi calculée est appliquée à la roue physique La commande de couple corrigé continue d'être appliquée à la roue jusqu'à ce que la valeur suivante mise à jour soit disponible Le RWA idéal est rajusté à la vitesse de roue réelle à des intervalles plus importants, par exemple de 5 minutes. D'autres modes de réalisation de l'invention apparaîtront aux spécialistes de la technique Des moteurs- couples magnétiques ou autres peuvent être utilisés conjointement avec des roues à réaction commandées selon l'invention Bien que des systèmes utilisant quatre roues à réaction aient été décrits, le nombre de roues n'est pas limité à ce nombre, et il est possible d'utiliser n'importe quel nombre de roues. REVENDICATIONS 1 Système de commande d'attitude de vaisseau spatial comprenant: un moyen générateur pour engendrer un signal de commande de couple; un moyen à roues à réaction adapté pour réagir à un signal d'indication de couple en appliquant un couple audit vaisseau spatial; un moyen de contrôle de vitesse de roue à réaction couplé au moyen à roues à réaction pour engendrer des signaux de vitesses représentatifs de la vitesse du moyen à roues à réaction; un moyen de couplage relié au moyen générateur, au moyen de contrôle de vitesse et au moyen à roues à réaction pour modéliser la réponse d'une roue à réaction idéale en réponse au signal de commande de couple, et pour établir la différence entre la vitesse calculée de la roue à réaction idéale sous l'influence du signal de commande de couple et la vitesse réelle du moyen à roues à réaction telle que représentée par lesdits signaux de vitesse, afin de produire un signal d'erreur de vitesse, et pour établir la somme du signal d'erreur de vitesse avec le signal de commande de couple afin de produire le signal d'application de couple pour entraîner le moyen à roues à réaction. 2 Procédé pour appliquer un couple de commande d'attitude à un vaisseau spatial, comprenant les étapes suivantes: génération de signaux de commande de couple représentant le couple que l'on désire communiquer au vaisseau spatial; calcul de la vitesse qu'une roue à réaction idéale sans frottement atteindrait en réponse au signal de commande de couple; entraînement en rotation d'un ensemble de roues à réaction; mesure de la vitesse de l'ensemble de roues à réaction; génération de signaux d'erreur en réponse à la différence entre la vitesse de l'ensemble de roues à réaction et la vitesse de la roue à réaction idéale; et commande de l'ensemble de roues à réaction en réponse à une combinaison des signaux de commande de couple et des signaux d'erreur. 3 Procédé selon la revendication 2, dans lequel l'étape de commande comprend l'étape de la sommation du signal de commande de couple et du signal d'erreur. 4 Procédé selon la revendication 2, dans lequel l'étape de génération de signaux d'erreur comprend les étapes suivantes: génération des signaux de vitesse représentatifs de la différence entre la vitesse de l'ensemble de roues à réaction et la vitesse de la roue à réaction idéale; intégration des signaux de vitesse pour former des signaux d'intégrale de vitesse; et sommation des signaux proportionnels aux signaux de vitesse et aux signaux d'intégrale de vitesse pour former les signaux d'erreur. 5 Système de commande d'attitude de vaisseau spatial, comprenant: un générateur de signaux de commande de couple; une roue à réaction adaptée pour réagir à un signal d'application de couple en appliquant un couple au vaisseau spatial; un dispositif de contrôle de vitesse de roues à réaction couplé à la roue à réaction pour engendrer des signaux de vitesse représentatifs de la vitesse de la roue à réaction; un système de logique couplé au générateur et au dispositif de contrôle pour modéliser la réponse d'une roue à réaction idéale en réponse au signal de commande de couple, et pour établir la différence entre la réponse de la roue à réaction idéale au signal de commande de couple et la vitesse réelle de la roue à réaction telle que représentée par les signaux de vitesse afin de produire un signal d'erreur; et un additionneur couplé au générateur, au système de logique et à la roue à réaction pour effectuer la somme du signal d'erreur avec le signal de commande de couple afin de former le signal d'application de couple pour entraîner la roue à réaction.