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Error analysis and a new steering law design for spacecraft control system using SGCMGs

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Acta Mechanica Sinica 2011年第5期27卷 803-808页

作者： Jin Jin Jing-Rui Zhang Zao-Zhen Liu Beijing Institute of Technology School of Aerospace Engineering100081 Beijing China

Based on the singular value decomposition theory,this paper analyzed the mechanism of escaping/avoiding singularity using generalized and weighted singularity-robust steering laws for a spacecraft that uses single gimbal control moment gyros （SGCMGs） as the actuator for the attitude control *** expression of output-torque error is given at the point of singularity,proving the incompatible relationship between the gimbal rate and the output-torque *** method of establishing a balance between the gimbal rate and the output-torque error is discussed,and a new steering law is *** results show that the proposed steering law can effectively drive SGCMGs to escape away from singularities.

关键词： Single gimbal control moment gyros (SGCMGs) Attitude control Singularity analysis steering law

Mixture steering law design for control moment gyroscopes

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Science China(Physics,Mechanics & Astronomy) 2014年第1期57卷 138-142页

作者： ZHANG JingRui LUO Yang LIU Wei ZHANG Yao School of Spacecraft Engineering Beijing Institute of Technology

Focusing on the singularities of a spacecraft using control moment gyros(CMGs)to do the large angle maneuvers,a new mixture steering law is proposed to avoid the *** to this method,if the CMGs are far away from the singularity,the Moore-Penrose pseudo-inverse steering law(MP)is used *** the CMGs are close to the singularity,instead of solving the inverse matrix,a set of optimal gimbal angles are sought for the singular measurement to reach the maximum,which can avoid the *** show that the designed steering law enables the spacecraft to carry out the large angle maneuver and avoid the singularities simultaneously.

关键词： control moment gyro (CMG) angular momentum singularity steering law

steering law for Non-redundant Control Moment Gyroscopes

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Steering Law for Non-redundant Control Moment Gyroscopes

steering laws analysis of SGCMGs based on singular value decomposition theory

第40届中国控制会议

作者： He Zhu Jingmei Huang Jingji Wang Xiao Liu Junxiong Yin Shanghai Aerospace Control Technology Institute Shanghai Key Laboratory of Aerospace Intelligent Control Technology

As a kind of high-efficient actuator for angular momentum exchanging, single-gimbal control moment gyroscope（SGCMG） is widely used on the attitude maneuvering for agile satellites. Considering the situation when one or several SGCMGs encountered a mechanical failure and the CMG clusters degraded to a non-redundant configuration, this paper aims to solve the difficulty of steering law’s design caused by the dense distribution of singularity points. Firstly, the asymmetry of the angular momentum envelope and distribution of elliptical singularity points are analyzed. Then, avoiding using Jacobian matrix,a novel steering law based on numerical iteration algorithm is designed to solve the inverse kinematics. Based on the Cyclic-Coordinate Decent（CCD） iteration, this method avoids the singularity of steering law due to the irreversible matrix and speeds up the calculation. Finally, typical numerical simulation results demonstrates the effectiveness of the proposed algorithm,proving that the algorithm can avoid and escape the singularity better even when the initial gimbal angles are in singularity.

关键词： CMG Non-redundant steering law Inverse Kinematics Cyclic-Coordinate Decent

来源： cnki会议评论

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cnki会议

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Applied Mathematics and Mechanics(English Edition) 2008年第8期29卷 1013-1021页

作者：张景瑞 Beijing Institute of Technology School of Aerospace Science Engineering Beijing 100081P.R.China

The steering laws of single gimbal control moment gyros （SGCMGs） are analyzed and compared in this paper for a spacecraft attitude control system based on singular value decomposition （SVD） theory. The mechanism of steering laws escaping singularity, especially how the steering laws affect singularity of gimbal configuration and the output torque error, is studied using SVD theory. Performance of various steering laws are analyzed and compared quantitatively by simulation. The obtained results can be used as a reference for designers.

关键词： single gimbal control moment gyros singular value decomposition steering law singularity

笔+触控界面中基于压力的交互技术的研究与设计

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笔+触控界面中基于压力的交互技术的研究与设计

作者：杨辉昆明理工大学

学位级别：硕士

随着硬件技术的快速发展,支持笔+触控双手交互的设备也越来越受欢迎,相应地关于笔+触控交互方式的研究也变得更加重要。与传统的基于键盘和鼠标交互的WIMP用户界面相比,笔+触控结合的交互方式不但更加直观和自然,而且通过笔输入通道拓... 详细信息

随着硬件技术的快速发展,支持笔+触控双手交互的设备也越来越受欢迎,相应地关于笔+触控交互方式的研究也变得更加重要。与传统的基于键盘和鼠标交互的WIMP用户界面相比,笔+触控结合的交互方式不但更加直观和自然,而且通过笔输入通道拓宽交互界面的输入方式。笔的输入模态中最重要的一个属性就是笔压输入,本文主要针对笔+触控界面中的笔压输入和笔压应用进行研究。本文主要的工作内容如下：第一,本文设计了一个基于steering轨迹任务的通道穿越实验,并对用户使用惯用手和非惯用手执行触摸任务的表现进行研究,目的是为了确定正式实验中穿越通道的最小宽度。通过对通道穿越时间和出错率的分析,得出用户直接触摸执行通道穿越任务的通道宽度不能小于30 pixels。第二,我们对用户自然书写和草图绘制时的笔压数据进行了记录,整理后发现超过95%的笔压分布在300至1500之间;同时我们对用户自然握笔时的笔压进行了记录,统计后发现笔尖压力有一段明显的非零值。综合分析后得知,自然握笔时的笔压很难被用户控制和使用。因此,在基于笔压的交互技术设计时,应当考虑到自然握笔时的笔压。第三,为了进一步研究用户控制笔压的能力和局限性,我们完成了一个基于双手交互的通道穿越实验。实验中我们把可控制的笔压分为1至7层,并且分析和比较了惯用手和非惯用手控在不同压力层次下制笔压任务的性能。通过实验发现多达七层的笔压能被用户控制,但是在环型任务中非惯用手的出错率最高达到了64.5%。除此之外,我们还得到了其他的一些重要结论：惯用手控制笔压的能力优于非惯用手,控制笔压任务比手指触摸任务更难,但是惯用手控制笔压的平均时间比非惯用手要多一点。第四,在本文实验研究的基础上,我们对来自双手的输入方式进行了讨论和分类,并提出一种基于压力的笔+触控结合的交互方式。最后,我们提出了三种基于压力控制的交互技术,并且设计了一个图像编辑应用,并实现一些交互技术进行了简单应用。本研究是笔+触控交互技术的基础研究,这些对笔+触控界面中基于压力的交互技术设计有明显的指导意义。

关键词：人机交互笔+触控 steering law 笔压

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多点触控环境下双手交互相关技术的研究

多点触控环境下双手交互相关技术的研究

作者：焦晓丹昆明理工大学

学位级别：硕士

多点触摸技术是一种新型的人机交互技术,可以支持人双手的一个或多个手指同时操作,打破了过去单点触控的局限,使用户可以更自然的发挥人在复杂任务中协调双手的潜能,增加了触摸交互的输入自由度和输入带宽。因此,双手交互在触摸交互领... 详细信息

多点触摸技术是一种新型的人机交互技术,可以支持人双手的一个或多个手指同时操作,打破了过去单点触控的局限,使用户可以更自然的发挥人在复杂任务中协调双手的潜能,增加了触摸交互的输入自由度和输入带宽。因此,双手交互在触摸交互领域得到了广泛的认可和研究。然而,多点触摸交互技术仍然存在着一些缺点,尤其是触摸精度低,错误率高,手易疲劳性以及由于手势扩展麻烦等问题,这些都在一定程度上制约了基于多点触控的双手交互技术的发展。这些缺点主要是由手的运动机制缺陷、双手输入和软件映射关系不合理及手势设计没有统一的规范等原因造成的。为了加深界面设计人员和用户对双手交互技术理解,本文中回顾了基于多点触控的双手交互相关技术及理论,为双手交互技术的合理开发和界面设计的优化提供了理论指导。另外,过去的触摸界面设计大多都是针对单点的,只考虑了单手(大多情况下指惯用手)的触控需要,并没有兼顾惯用手和非惯用手。随着多点触控技术的出现,设计者需要考虑人双手的属性和运动特点等影响因素,并改良过去的界面控件设计和布局形式以及界面组件的控制方法。那么对双手运动机制的差异性进行研究就显得比较重要了。本文通过一个通道穿过实验研究双手在执行steering law任务上的差异性,并为基于双手触摸的用户界面菜单的设计和控制技术的改善提供了一些建议和思路。最后,不同的交互技术融合将成为未来双手触摸交互技术的新热点,尤其是笔+触技术。笔+触技术作为一种新颖的双手交互研究方向,有很多优势和问题等待人们去挖掘和解决。本文对笔+触技术进行了初步的调研和探讨,并为下一步深入研究笔+触交互技术搭建了一个成本低廉的应用程序开发框架,经实例检测,该框架能够支持笔+触交互手势和应用场景的开发。

关键词：多点触摸惯用手非惯用手 steering law 笔+触

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移动设备倾斜角输入的交互绩效研究

移动设备倾斜角输入的交互绩效研究

作者：吴宁宁兰州大学

学位级别：硕士

手机和平板等便携移动设备内置的惯性传感器可以感知设备的运动状况和空间姿态,为设备增加了倾斜角(Tilt)的独立输入通道。本文进行了两项实验性的研究,分别通过人机交互界面中常见的两种交互任务,即目标指向任务(Pointing Task)和基于... 详细信息

手机和平板等便携移动设备内置的惯性传感器可以感知设备的运动状况和空间姿态,为设备增加了倾斜角(Tilt)的独立输入通道。本文进行了两项实验性的研究,分别通过人机交互界面中常见的两种交互任务,即目标指向任务(Pointing Task)和基于轨迹的导向任务(steering Task),评估了人使用移动设备倾斜角输入的绩效表现。第一项研究中,12名参与者在智能手机上使用倾斜角输入执行了目标指向选择任务。实验研究了三种视觉反馈水平,即完全视觉反馈(Fully Visual Feedback,FV),部分视觉反馈(Partically Visual Feedback,PV)和无视觉反馈(No Visual Feedback,NV)。在NV条件下,参与者使用“盲操作”(eyes-free)的交互方法执行任务。根据参与者的绩效表现,我们系统地评估了人在不同视觉反馈水平下控制手机倾斜角输入的能力。结果显示,NV的时间绩效最好,但是准确度绩效最差。参与者可以在NV条件下很容易地区分4个倾斜方向水平(Tilt Orientation Levels,TOLs)和2个倾斜幅度水平(Tilt Magnitude Levels,TMLs)或8个TOLs和2个TMLs,对应的交互错误率容忍度分别为10%或15%。PV在速度和准确度方面对倾斜角交互绩效都没有帮助。另外,我们还发现参与者控制倾斜角输入的能力与倾斜方位(Tilting Orientation)有关。第二项研究通过实验评估了使用平板电脑的倾斜角输入执行轨迹导向任务的交互绩效。参与者使用四个级别的倾斜增益(Tilt Gain:10,25,50和100)执行了与平板电脑的本地反馈和与桌面显示器的远程反馈的轨迹导向任务交互。实验结果显示倾斜角输入在两种使用场景中进行轨迹导向交互都具有相当高的可行性,倾斜增益设置在25至50之间对于一般的轨迹导向交互的时间绩效和吞吐量是最佳的。倾斜角作为移动设备的交互输入原语被证明符合steering law,根据轨迹导向任务的难度不同,其吞吐量大约为1.3至11.8 bits/s。

关键词：人机交互倾斜角交互绩效目标指向任务轨迹导向任务 steering law