本發(fā)明涉及航天技術(shù)，具體涉及一種抓捕高速旋轉(zhuǎn)目標(biāo)后機(jī)械臂組合體的姿態(tài)穩(wěn)定方法。
背景技術(shù)：
：大量的空間碎片正在對(duì)在軌的各類航天器造成威脅，由于空間碎片在產(chǎn)生初期會(huì)有一定的速度和/或角速度，機(jī)械臂抓捕這類碎片后所形成組合體的姿態(tài)會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，因此需要設(shè)計(jì)一種組合體姿態(tài)穩(wěn)定方法。目前常用的姿態(tài)穩(wěn)定方法主要分為主動(dòng)控制和被動(dòng)控制兩大類。主動(dòng)控制方法即通過三軸測(cè)量參數(shù)反饋進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，但是由于安裝機(jī)械臂的衛(wèi)星本體攜帶燃料有限，失穩(wěn)嚴(yán)重的情況下直接將組合體從失穩(wěn)控制到穩(wěn)定狀態(tài)需要消耗大量燃料，這會(huì)嚴(yán)重影響后續(xù)的任務(wù)。而被動(dòng)控制方法如自旋穩(wěn)定和重力梯度力矩方法由于利用動(dòng)力學(xué)特性，其控制幅度較小，或者借助外部環(huán)境力，能夠有效節(jié)省自身燃料，但是目前這類方法主要應(yīng)用于單顆衛(wèi)星的控制，尚未在抓捕目標(biāo)后的機(jī)械臂上進(jìn)行使用。綜上所述，出于節(jié)省機(jī)械臂本體執(zhí)行機(jī)構(gòu)的燃料消耗，并且充分利用組合體本身的動(dòng)力學(xué)特性的目的，需要開發(fā)一種基于被動(dòng)控制的組合體姿態(tài)穩(wěn)定方法。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的問題，提供一種抓捕高速旋轉(zhuǎn)目標(biāo)后機(jī)械臂組合體的姿態(tài)穩(wěn)定方法，充分利用空間中的環(huán)境力/力矩實(shí)現(xiàn)目標(biāo)姿態(tài)穩(wěn)定，燃料消耗較小。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括如下步驟：步驟一、機(jī)械臂抓捕旋轉(zhuǎn)的空間碎片，結(jié)合動(dòng)力學(xué)模型找出組合體的慣性主軸方向；步驟二、通過調(diào)整機(jī)械臂構(gòu)型使組合體的旋轉(zhuǎn)軸與慣性主軸方向重合，達(dá)到自旋穩(wěn)定；步驟三、結(jié)合本體執(zhí)行機(jī)構(gòu)和環(huán)境力矩對(duì)組合體消旋，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂組合體的姿態(tài)穩(wěn)定。所述步驟三中的環(huán)境力矩為重力梯度力矩。在確定組合體慣性主軸方向時(shí)，根據(jù)目標(biāo)空間碎片與機(jī)械臂末端相對(duì)位姿，結(jié)合動(dòng)量守恒推導(dǎo)組合體角速度表達(dá)式；相對(duì)位姿為：動(dòng)量守恒：組合體角速度表達(dá)式：其中，Re是機(jī)械臂末端執(zhí)行器質(zhì)心矢量，reQ是機(jī)械臂末端執(zhí)行器質(zhì)心至與目標(biāo)接觸點(diǎn)Q的矢量，ve和ωe是末段執(zhí)行器的速度和角速度，Rt是目標(biāo)質(zhì)心的位置矢量，rTQ是目標(biāo)質(zhì)心至與末端接觸點(diǎn)Q的矢量，vt和ωt是目標(biāo)的速度和角速度，vC和ωC是組合體質(zhì)心的速度和角速度，R(qr)為目標(biāo)姿態(tài)與末端姿態(tài)的轉(zhuǎn)換矩陣。通過下式計(jì)算組合體的慣性主軸方向：(λiI3-IC)ASS′T(,i)=0i=1,2,3---(4)]]>其中，λi(i＝1,2,3)為主慣性矩，I3為3×3單位矩陣，IC為組合體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為轉(zhuǎn)換矩陣，描述組合體質(zhì)心坐標(biāo)系S(C)至慣性主軸坐標(biāo)系S'(C)的旋轉(zhuǎn)關(guān)系。按照下式實(shí)現(xiàn)組合體自旋穩(wěn)定以及組合體的姿態(tài)穩(wěn)定：其中，為期望組合體質(zhì)心角加速度，ωCe和為誤差組合體質(zhì)心角速度和角加速度，τ本體為組合體基座三軸姿態(tài)控制輸出，τ環(huán)境為環(huán)境力矩。式(5)中為了實(shí)現(xiàn)控制目的：a.針對(duì)自旋穩(wěn)定階段，當(dāng)時(shí)間t→∞時(shí)，b.針對(duì)姿態(tài)穩(wěn)定階段，當(dāng)時(shí)間t→∞時(shí)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：以快速旋轉(zhuǎn)的空間碎片為目標(biāo)，機(jī)械臂抓捕旋轉(zhuǎn)的空間碎片后，通過調(diào)整機(jī)械臂構(gòu)型使組合體的旋轉(zhuǎn)軸與慣性主軸方向重合，首先達(dá)到自旋穩(wěn)定，然后再結(jié)合本體執(zhí)行機(jī)構(gòu)和環(huán)境力矩對(duì)組合體消旋，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂組合體的姿態(tài)穩(wěn)定。本發(fā)明能夠充分利用空間中的環(huán)境力矩，進(jìn)而有效減小機(jī)械臂本體的燃料消耗。附圖說明圖1本發(fā)明姿態(tài)穩(wěn)定方法的狀態(tài)變化示意圖；圖2本發(fā)明慣性主軸與旋轉(zhuǎn)主軸關(guān)系示意圖；具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。參見圖1，本發(fā)明抓捕高速旋轉(zhuǎn)目標(biāo)后機(jī)械臂組合體的姿態(tài)穩(wěn)定方法包括以下過程：首先機(jī)械臂本體抓捕高速旋轉(zhuǎn)目標(biāo)，形成組合體后進(jìn)入失穩(wěn)狀態(tài)；然后尋找組合體的慣性主軸方向并通過機(jī)械臂構(gòu)型調(diào)整使旋轉(zhuǎn)軸方向與之重合，進(jìn)入自旋穩(wěn)定；最后結(jié)合本體執(zhí)行機(jī)構(gòu)和重力梯度力矩等環(huán)境力矩對(duì)組合體消旋，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂組合體的姿態(tài)穩(wěn)定。具體步驟為：步驟一：根據(jù)目標(biāo)空間碎片與機(jī)械臂末端相對(duì)位姿結(jié)合動(dòng)量守恒推導(dǎo)抓捕目標(biāo)后的組合體角速度表達(dá)式，相對(duì)位姿如下：Re+reQ=R(qr)(Rt+rTQ)ve+r~eQTωe=R(qr)(vt+r~TQTωt)ωe=R(qr)ωt---(1)]]>按照動(dòng)量守恒：vCωC=(HT+HBM-bΘ)vtωt+(HBM-η-HBM-bHη)η·---(2)]]>組合體角速度表達(dá)式：其中，Re是機(jī)械臂末端執(zhí)行器質(zhì)心矢量，reQ是機(jī)械臂末端執(zhí)行器質(zhì)心至與目標(biāo)接觸點(diǎn)Q的矢量，ve和ωe是末段執(zhí)行器的速度和角速度，Rt是目標(biāo)質(zhì)心的位置矢量，rTQ是目標(biāo)質(zhì)心至與末端接觸點(diǎn)Q的矢量，vt和ωt是目標(biāo)的速度和角速度，vC和ωC是組合體質(zhì)心的速度和角速度，R(qr)為目標(biāo)姿態(tài)與末端姿態(tài)的轉(zhuǎn)換矩陣。步驟二：計(jì)算組合體慣性主軸方向，如圖2所示，慣性主軸方向可由下式獲得：(λiI3-IC)ASS′T(,i)=0i=1,2,3---(4)]]>其中，λi(i＝1,2,3)為主慣性矩，I3為3×3單位矩陣，IC為組合體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為轉(zhuǎn)換矩陣，描述組合體質(zhì)心坐標(biāo)系S(C)至慣性主軸坐標(biāo)系S'(C)的旋轉(zhuǎn)關(guān)系。步驟三：通過控制ωC與重合，可實(shí)現(xiàn)組合體自旋穩(wěn)定，最后通過環(huán)境力矩結(jié)合本體執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行姿態(tài)穩(wěn)定：控制目的的數(shù)學(xué)表達(dá)為：a.針對(duì)自旋穩(wěn)定階段，當(dāng)時(shí)間t→∞時(shí)，即b.針對(duì)姿態(tài)穩(wěn)定階段，當(dāng)時(shí)間t→∞時(shí)，其中，為期望組合體質(zhì)心角加速度，ωCe和為誤差組合體質(zhì)心角速度和角加速度，τ本體為組合體基座三軸姿態(tài)控制輸出，τ環(huán)境為環(huán)境力矩。本發(fā)明的保護(hù)范圍不僅局限于上述實(shí)施例，上述實(shí)施例僅用于解釋本發(fā)明，凡與本發(fā)明在相同原理和構(gòu)思下的變更或修改均在本發(fā)明公開的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3