一種空間繩系機器人目標抓捕后復合體穩定控制方法
【專利說明】一種空間繩系機器人目標抓捕后復合體穩定控制方法 【技術領域】
[0001] 本發明屬于航天器控制技術研究領域，具體涉及一種空間繩系機器人目標抓捕后 復合體穩定控制方法。 【【背景技術】】
[0002] 空間繩系機器人由于其靈活、安全、燃料消耗低等特點，在空間在軌服務中有著廣 泛的作用，可以進行失效衛星救助、太空垃圾清理、輔助變軌等操作。
[0003] 根據空間繩系機器人的任務流程，可以分為釋放、逼近目標、目標抓捕、目標抓捕 后穩定和目標捕獲后操作五個階段，其中目標抓捕后復合體穩定控制是空間繩系機器人的 主要研究之一。
[0004] 空間繩系機器人對目標抓捕后，由于碰撞和目標的自旋，導致抓捕后復合體的姿 態不穩定，不施加控制會發生系繩纏繞等不利情況，系繩拉力對平臺本身產生巨大干擾，因 此，需要對抓捕后復合體的姿態進行控制。由于空間機器人自身的控制力矩較有限，抓捕后 復合體進行穩定控制時，會出現推力器輸入飽和受限情況，對復合體控制性能會產生較大 的影響。此外，由于放繩機構的限制和安全因素的考慮，系繩的收放速度受到限制，因此，需 要設計合適的控制策略，保證系繩收放速度受限情況下復合體姿態控制的穩定性。
[0005] 目標抓捕后復合體穩定是空間繩系機器人的重要任務之一，目標抓捕后復合體穩 定控制直接影響后續拖曳變軌或者回收操作任務的順利進行，它成為空間繩系機器人領域 的研究重點。
[0006] 申請號為：201310018221. 7的中國專利提出了一種空間繩系機器人抓捕后復合 體控制方法，利用推力器和系繩實現復合體的穩定控制；申請號為：201410341562. 2的中 國專利提出利用系繩拉力結合空間繩系機械臂的構型變化產生所需的控制力矩，從而實現 復合體的姿態穩定。以上專利均僅僅考慮了復合體姿態的穩定控制，而復合體穩定控制還 需要對位置進行穩定控制，因此一定程度限制了這兩種控制方法的使用。 【
【發明內容】
】
[0007] 本發明的目的在于解決上述問題，提供一種空間繩系機器人目標抓捕后復合體穩 定控制方法，該方法可實現目標抓捕后復合體位姿的穩定控制。
[0008] 為達到上述目的，本發明采用以下技術方案予以實現：
[0009] -種空間繩系機器人目標抓捕后復合體穩定控制方法，包括以下步驟：
[0010] 1)建立空間繩系機器人目標抓捕后復合體動力學方程；
[0011] 2)計算虛擬控制輸入ξ 2。；
[0012] 3)計算得到期望系統狀態量
[0013] 4)估計抓捕后復合體模型不確定性木：
[0014] 5)計算抓捕后復合體穩定控制力和控制力矩Q。
[0015] 本發明進一步的改進在于：
[0016] 所述的步驟1)中，空間繩系機器人目標抓捕動力學方程為：
[0018] 其中
為空間系繩長度；α為空間系繩面內角；β 為空間系繩面外角；#、Θ和φ為復合體姿態角；Μ為系統慣量矩陣；Ν非線性速度相關項； G重力相關項；Q為空間繩系機器人控制力與控制力矩。
[0019] 所述的步驟2)中，根據
計算虛擬控制輸入ξ2。，其中&為設計的 正定矩陣；ξ fild，其中ξ，ξ lds ξ i的期望值，4?為|^對時間的導數。
[0020] 所述的步驟3)中，計算出期望系統狀態量|2d的方法為：通過一階濾波
:實現，其中ε >0。
[0021] 所述的步驟4)中，復合體模型不確定性木通過以下方法得到：
其中，a和ε 正數，
投 影算子；η = ξ X，X通過濾波器
f得到；KjP Ρ為正定矩陣。
[0022] 所述的步驟5)中，計算抓捕后復合體穩定控制力和控制力矩Q :
，其中Q為Q。通過飽和環節得到，Μ。 為系統名義慣量矩陣；Ν。名義非線性速度相關項；G。名義重力相關項。
[0023] 與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：
[0024] 本發明空間繩系機器人目標抓捕后復合體穩定控制方法，從整體上考慮了系繩放 繩速度限制情況下，利用指令濾波方法，進行控制器設計，保證了控制器的穩定性。本發明 設計了自適應律，對復合體不確定性進行估計，并在控制器中進行補償，提高了控制精度。 本發明通過濾波器對控制輸入進行限制，從而提高控制器的穩定性。 【【附圖說明】】
[0025] 圖1為空間繩系機器人目標抓捕示意圖。
[0026] 圖中：1.抓捕目標；2.空間繩系機器人；3.空間系繩；4.空間平臺；5.地球；6.抓 捕后復合體。 【【具體實施方式】】
[0027] 以下結合附圖對本發明進行詳細的描述。應當指出的是，所描述的實施例僅旨在 便于對本發明的理解，而對其不起任何限定作用。
[0028] 參見圖1，本發明空間繩系機器人目標抓捕后復合體穩定控制方法，包括以下步 驟：
[0029] 1)建立空間繩系機器人目標抓捕后復合體動力學方程
[0031 ] 其中，系統狀態
：其中1、α和β分別為空間系 繩長度、空間系繩面內角和空間系繩面外角，爐、Θ和φ為抓捕后復合體姿態角；
為廣義控制力。
[0032] 2)計算虛擬控制輸入ξ 2c
取lld為ξ :的期望值，則跟蹤誤差可以表示為：
[0035] 對ξ le兩邊求導可以得到：
[0037] 設ξ 2(：為ξ 2的虛擬輸入，設計為：
[0039] 其中，&為正定矩陣。
[0040] 3)計算得到期望系統狀態量
[0041] 考慮到系繩放繩速度受限，因此，采用指令濾波的方法對系統狀態ξ 2進行限制， 具體方法為：
[0043] 其中 ε > 〇·
[0044] 4)估計抓捕后復合體模型不確定性|￡
[0045] ξ 2e誤差動力學方程可以表示為：
[0047] 其中
為系統不確定性，其主要由復合體 質量、轉動慣量和系繩連接點位置等參數的誤差產生。假設系統不確定性受限，存在上限 λυ即I I ρ (ΔΜ。，ΔΝ。，AG) I I彡I I λ」I.設計自適應律對\進行估計，得到其估計值 λ,：
[0049]其中，a和 ε 入為正數；η · η = (η Αι η2η2 n3n3)T;Proj( ·)投影算子；η 為修正跟蹤誤差，并且滿足η = 其中x通過以下一階濾波器得到：
[0051] 其中，Κ2為正定矩陣。
[0052] 5)計算抓捕后復合體穩定控制力和控制力矩Q
[0053] 根據
得到Q。，然后將Q。輸入 飽和環節得到Q，Q為實際的輸入控制力和控制力矩；Μ。為系統名義慣量矩陣；Ν。名義非線 性速度相關項；G。名義重力相關項。
[0054] 以上內容僅為說明本發明的技術思想，不能以此限定本發明的保護范圍，凡是按 照本發明提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本發明權利要求書 的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種空間繩系機器人目標抓捕后復合體穩定控制方法，其特征在于，包括以下步 驟： 1) 建立空間繩系機器人目標抓捕后復合體動力學方程； 2) 計算虛擬控制輸入ξ 2。； 3) 計算得到期望系統狀態量I2d; 4) 估計抓捕后復合體模型不確定性i,; 5) 計算抓捕后復合體穩定控制力和控制力矩Q。2. 根據權利要求1所述的空間繩系機器人目標抓捕后復合體穩定控制方法，其特征在 于，所述的步驟1)中，空間繩系機器人目標抓捕動力學方程為：其中：1為空間系繩長度；α為空間系繩面內角；β為空 間系繩面外角；識、Θ和φ為復合體姿態角；M為系統慣量矩陣；N非線性速度相關項；G重 力相關項；Q為空間繩系機器人控制力與控制力矩。3. 根據權利要求1所述的空間繩系機器人目標抓捕后復合體穩定控制方法，其特征在 于，所述的步驟2)中，根據計算虛擬控制輸入ξ 2。，其中K1為設計的正定 矩陣；ξ le= ξ f ξ ld，其中ξ i= ξ，ξ ldS ξ i的期望值，為ξ 對時間的導數。4. 根據權利要求1所述的空間繩系機器人目標抓捕后復合體穩定控制方法，其 特征在于，所述的步驟3)中，計算出期望系統狀態量I 2d的方法為：通過一階濾波實現，其中ε >0。5. 根據權利要求1所述的空間繩系機器人目標抓捕后復合體穩定控制方法，其特征在 于，所述的步驟4)中，復合體模型不確定性i,通過以下方法得到：其 中，a和 ε ；^為正數，η·η = (ηιηι Ti2Ti2 n3n3)T，Proj( ·)投影算子；n = I2e-X， X通過濾波器I得到；1(2和P為正定矩陣。6. 根據權利要求1所述的空間繩系機器人目標抓捕后復合體穩定控制方 法，其特征在于，所述的步驟5)中，計算抓捕后復合體穩定控制力和控制力矩Q :其中Q為Q。通過飽和環節得到，M。 為系統名義慣量矩陣；N。名義非線性速度相關項；G。名義重力相關項。
【專利摘要】本發明公開了一種空間繩系機器人目標抓捕后復合體穩定控制方法，包括以下步驟：1)建立空間繩系機器人目標抓捕后復合體動力學方程；2)計算虛擬控制輸入ξ2c；3)計算得到期望系統狀態量ξ2d；4)估計抓捕后復合體模型不確定性；5)計算抓捕后復合體穩定控制力和控制力矩Q。本發明考慮了系繩放繩速度限制情況下，利用指令濾波方法，進行控制器設計，保證了控制器的穩定性。本發明設計了自適應律，對復合體不確定性進行估計，并在控制器中進行補償，提高了控制精度。本發明通過濾波器對控制輸入進行限制，從而提高控制器的穩定性。
【IPC分類】G05D19/02
【公開號】CN105353790
【申請號】CN201510794393
【發明人】黃攀峰, 王東科, 魯迎波, 孟中杰, 劉正雄
【申請人】西北工業大學
【公開日】2016年2月24日
【申請日】2015年11月17日