一種基于空間系繩抓捕系統的非合作目標質量辨識方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于空間系繩抓捕系統的非合作目標質量辨識方法，該方法在空間繩系機器人系統抓捕空間非合作目標后，在后抓捕階段和回收階段對目標動力學參數進行辨識并在此基礎上完成自適應回收控制。首先，提出了一種參數辨識方法在后抓捕期對空間非合作目標的質量進行初步辨識。然后，根據不同的回收控制算法對參數辨識的影響，提出一種最適合的控制算法。最后，在基于后抓捕階段的初步的參數辨識結果的基礎上，完成空間非合作目標回收過程中的自適應控制。
【專利說明】一種基于空間系繩抓捕系統的非合作目標質量辨識方法

【技術領域】
[0001]本發明屬于航天器控制【技術領域】，涉及帶有空間系繩的各類空間抓捕系統捕獲空 間非合作目標后的動力學分析和目標參數辨識技術，特別涉及一種基于空間系繩抓捕系統 的非合作目標質量辨識方法。

【背景技術】
[0002]空間繩系機器人系統是一種可用于空間在軌服務的新型空間機器人系統，在空間 在軌維修、在軌捕獲及在軌組裝等領域有著潛在的應用價值；這種機器人系統的主要架構 為"空間機動平臺，空間系繩，操作機器人";在成功捕獲空間非合作目標/空間垃圾后，新的 復合體為"空間機動平臺，空間系繩，空間非合作目標";為了進一步完成后續的拖曳變軌/ 回收等任務，需要知道被抓捕目標的動力學參數，所以在抓捕后的停留階段，需要對目標的 動力學參數進行辨識，其中包括質量，轉動慣量和質心到任意抓捕點距離。
[0003] 目前，在于空間繩系系統相關的研究中，系繩的釋放和回收研究占了絕大多數。 但是目前為止，國內外沒有任何學者針對非合作抓捕后的動力學參數辨識問題進行相關 研究。在空間繩系抓捕系統的任務中，利用空間繩系機器人或者空間飛網完成對空間非 合作目標的抓捕后，緊接著就要進行下一步的回收/拖曳任務。作為新組合而成的空間 剛-柔-剛復合體，為了下一步回收/拖曳任務中的精確控制，必須要辨識被抓捕目標的動 力學參數。
[0004] 在所有的動力學參數中，又尤其以空間非合作目標的質量最為關鍵。第一個原因 是，通常情況下的空間繩系系統抓捕，系繩的長度遠遠大于目標衛星和本體衛星的尺寸，于 是這兩個剛體就退化成了質點。在此情況下，空間非合作目標的質量即成為必不可少的也 是唯一需要辨識的參數。第二個原因是，無論是目標回收，還是拖曳變軌，都需要通過系繩 來控制穩定回收/拖曳。而在空置率的設計中，被抓捕目標的質量是至關重要的。


【發明內容】

[0005] 本發明的目的是針對空間繩系機器人系統抓捕空間非合作目標的問題，提出一種 利用抓捕后的停留階段對空間非合作目標進行快速參數辨識，并在回收前期進行精確參數 辨識的基于空間系繩抓捕系統的非合作目標質量辨識方法，該方法可以廣泛應用于空間繩 系系統抓捕空間非合作目標后，對目標的動力學參數進行辨識。
[0006] 為了實現上述目的，本發明所采用的技術方案包括以下步驟：
[0007] 1)利用拉格朗日法推導"空間機動平臺-系繩-空間非合作目標"復合體的動力 學方程；
[0008] 2)抓捕后停留段的姿態動力學分析；
[0009] 3)后抓捕階段的空間非合作目標質量參數辨識；
[0010] 4)空間非合作目標回收階段的自適應控制。
[0011] 所述的步驟1)中，"空間機動平臺-系繩-空間非合作目標"復合體的動力學方程 的推導方法具體如下：
[0012] 系統由釋放出繩系終端抓捕器的本體衛星，在空間軌道運行的被抓捕目標衛星， 以及連接兩個衛星的系繩所構成；其中 mi，m2, mt分別為本體衛星、目標衛星和系繩的質量； 地心指向空間繩系系統質心C的矢量R。是由真近點角γ和徑向坐標R。定義的況，R 2, Rt 分別是由地心指向本體衛星質心，目標衛星質心和系繩上任意一質點的位置矢量；軌道坐 標系C-x〇y〇z。作為一個旋轉坐標系，其原點即為系統質心，X。軸沿質心矢量R e并指向地心 反方向，軸垂直于X。軸并與其共同構成軌道平面，z〇軸滿足右手定則；旋轉坐標系C-xyz 為系統的本體坐標系，這個旋轉坐標系的原點分別為系統質心；其中，本體坐標系χ-y-z是 從軌道坐標系xcry<rz。繞z。軸旋轉面內角α，再繞瞬時坐標軸y'旋轉面外角β得到的， 且假設這兩次旋轉是瞬時連續完成的， α即為系繩的面內擺角，β是系繩的面外擺角；
[0013] 地心到本體衛星、目標衛星和系繩上任意質點的矢量位置分別為：
[0014] R! = Rc+rj (28)
[0015] R2 = Rc+r2 (29)
[0016] Rt = Rc+r t (30)
[0017] 其中，iv r2和rt分別是系繩的質心到本體衛星的系繩連接點、目標衛星的系繩連 接點和系繩上任意一質點的位置矢量，A = = -r2it，rt = (s-r2) it ;其中ri和r2分 別是系統質心與兩個衛星的系繩連接點的距離，s是繩上任意一點到目標衛星的系繩連接 點的距離；
[0018] R2, Rt和Rc滿足系統質心定理：
[0019]

【權利要求】
1. 一種基于空間系繩抓捕系統的非合作目標質量辨識方法，其特征在于，包括以下步 驟： 1) 利用拉格朗日法推導"空間機動平臺-系繩-空間非合作目標"復合體的動力學方 程； 2) 抓捕后停留段的姿態動力學分析； 3) 后抓捕階段的空間非合作目標質量參數辨識； 4) 空間非合作目標回收階段的自適應控制。
2. 根據權利要求1所述的基于空間系繩抓捕系統的非合作目標質量辨識方法，其特征 在于：所述的步驟1)中，"空間機動平臺-系繩-空間非合作目標"復合體的動力學方程的 推導方法具體如下： 系統由釋放出繩系終端抓捕器的本體衛星（1)，在空間軌道運行的被抓捕目標衛星，以 及連接兩個衛星的系繩所構成；其中iVtvmt分別為本體衛星、目標衛星和系繩的質量；地 心指向空間繩系系統質心C的矢量R。是由真近點角γ和徑向坐標R。定義的；&，R 2, Rt分 別是由地心指向本體衛星質心，目標衛星質心和系繩上任意一質點的位置矢量；軌道坐標 系C-Xc^Zc!作為一個旋轉坐標系，其原點即為系統質心，Xc!軸沿質心矢量R。并指向地心反 方向，y〇軸垂直于軸并與其共同構成軌道平面，軸滿足右手定則；旋轉坐標系C-xyz為 系統的本體坐標系，這個旋轉坐標系的原點分別為系統質心；其中，本體坐標系x-y-z是從 軌道坐標系XcrycTZ^^h軸旋轉面內角α，再繞瞬時坐標軸y'旋轉面外角β得到的，且 假設這兩次旋轉是瞬時連續完成的，α即為系繩的面內擺角，β是系繩的面外擺角； 地心到本體衛星、目標衛星和系繩上任意質點的矢量位置分別為： R! = Rc+ri (1) R2 = Rc+r2 (2) Rt = Rc+rt (3) 其中，iV r2和rt分別是系繩的質心到本體衛星的系繩連接點、目標衛星的系繩連接點 和系繩上任意一質點的位置矢量，A = = -r2it,rt = (s-r2) it ;其中η和r2分別是 系統質心與兩個衛星的系繩連接點的距離，s是繩上任意一點到目標衛星的系繩連接點的 距離； 凡，R2, Rt和Rc滿足系統質心定理：
需要指出的是，由于系繩是由本體衛星釋放/回收的，所以有： = -m, (5) 空間繩系系統由于移動而產生的動能為：
其中，
衣=+ (-# + ω χ ?·,) (9) 其中，ω是系統的旋轉角速度，i是χ軸的單位矢量；由于已經假設系統的質心滿足開 普勒圓軌道，矣：，彳是軌道角速度，R。是系統質心在慣性坐標系下的矢 量的標量值； 從而得到系統的動能為：
其中，;77 = 〃'(，? +η;?)/Μ，》/ =[Wlm2 +，《,(，《, +m2)/3 + m,7l2]/M 為質量特性參數，Μ 為系統 的總質量； 系統的勢能可表示為：
其中μ是地球的引力常量；為了公式的簡化，將公式（1)?（3)帶入公式（11)，并逐 項展開；以1/1? I為例，其展開過程如下：
展開后省略所有|^|/艮的高階項，其中巧分別為1'1，1'2和1^;根據公式（4)系統質心 定理，對展開后的系統勢能進行整理，得到系統的勢能為：
系統的Lagrangian方程為：
為了使得到的動力學方程更利于仿真分析，在通過拉格朗日法得到了系統的動力學方 程后，對所有方程進行無量綱化，具體的無量綱化定義為：
其中，k是參考系繩長度，在后抓捕和回收過程中通常被定義為回收前的原始繩長；τ 是無量綱時間，t是軌道角速度； 得到的系統無量綱條件下的系繩面內擺角、面外擺角和系繩長度的動力學公式為：
其中，'=[叫7"2 +Η;?(〃;1 +Η;2)/3+〃;?2/?2]/Μ，Ω是軌道角速度， Qfj，Qa和qa都為廣義力； 在此推導中，QA即為系繩的拉力（QA = -T)。
3. 根據權利要求2所述的基于空間系繩抓捕系統的非合作目標質量辨識方法，其特征 在于：所述的系繩面內擺角和面外擺角均為系統本體坐標系相對于軌道坐標系的擺角。
4. 根據權利要求2或3所述的基于空間系繩抓捕系統的非合作目標質量辨識方法，其 特征在于：所述的步驟2)中，抓捕后停留段的姿態動力學分析的具體方法是： 在抓捕后停留階段，系繩的長度沒有任何改變，即Λ = 1，且Λ '= Λ "= 0 ;將此條 件帶入公式（16)和（17)，即可得到復合體組成后，系繩面內擺角和面外擺角的動力學公 式： α" = 2(\ +α') β' tiin /^- 3 sin a cos? + 1: cos" β.1~) (19) /Γ = -「(《'+ I)- +3a)s_ or]+ ) (20) 并將同樣的后抓捕階段狀態帶入系繩長度公式，重寫后得到抓捕后階段系繩拉力的表 達式： T = m* Ω 2Lr [ (1+ a ' ) 2cos2 β + β ' 2+3cos2 a cos2 β _1] (21) 除此之外，由Hamilton原理可知，如果一個系統不受非守恒外力作用，并且能量公式 不是時間t的顯式，那么系統的Hamilton表達式Η是一個常值，公式（19)和（20)可積；在 利用繩系抓捕器抓捕及回收/拖曳目標衛星的整個過程中，僅僅在這個系統質心滿足開普 勒圓軌道的后抓捕停留階段符合此條件，因為沒有任何外加的耗散力作用在系統上。
5. 根據權利要求4所述的基于空間系繩抓捕系統的非合作目標質量辨識方法，其特征 在于：所述的步驟3)中，后抓捕階段的空間非合作目標質量參數辨識的具體方法是： 為了能夠穩定而高效的完成下一階段任務，首先需要獲得目標的動力學參數；其中包 括：目標衛星的質量、轉動慣量和目標質心到被抓捕點的距離； 辨識算法為具有遺忘因子的遞推最小二乘算法： Θ(/) = Θ(Μ) + Λ^(?)[Δ(?)-Φ(?)Θ(/-?)] (22) 其中
為了保證便是算法的穩定，選擇Ρ(〇) = κ且Κ >0,可遺忘因子λ選擇靠近1的任 意值；根據動力學公式（19)和（20)，上述算法中的各個部分分別為： Δ (/) =Γ - /3 + in- /12)/μ] Ω2Ζγ [(1 + a'f cos2 /? + ^,2 + 3 cos2 a cos2 ^ -1] (24) Φ (t) = [ (n^+mt/3)/Μ] Ω 2Lr [ (1+α ' ) 2cos2 β + β ' 2+3cos2 a cos2 β -1] (25)。
6. 根據權利要求5所述的基于空間系繩抓捕系統的非合作目標質量辨識方法，其特征 在于：所述的步驟4)中，空間非合作目標回收階段的自適應控制的具體方法是： 基于系繩拉力的控制律I如下： T=T0+ KaA + Κ^.,Κ' + Κρ,β'1 ?=0 (26) 其中，
這種控制律由 于只用到了系繩的拉力，對系繩面內擺角和面外擺角的控制都較弱；在這種控制律下的，面 內擺角和面外擺角均不能穩定在0°，而是在微小范圍內擺動，其中，面內擺角在±Γ范 圍內，面外擺角在±5°范圍內； 基于系繩拉力和本體衛星面外推力器控制的控制律II為： ? =Κ\!\~Κ、.Κ qp = κ,.βΛ- κβ,β' (27)。 (1=()
【文檔編號】G05B13/04GK104252574SQ201410341359
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年7月17日 優先權日:2014年7月17日
【發明者】黃攀峰, 張帆, 劉正雄, 孟中杰 申請人:西北工業大學