本發(fā)明屬于航天器控制技術研究領域，涉及一種空間失穩(wěn)非合作目標的二次抓捕控制策略,該控制方法可應用于空間繩系機器人的二次抓捕中。

背景技術：

空間繩系機器人是一種通過系繩與操控飛行器連接，具有對一定運動范圍失穩(wěn)目標的多次抓捕能力，可重復使用的新型空間操控載荷。由于系繩的連接特性，空間繩系機器人可以在一次抓捕失敗后方便的進行二次抓捕。而二次抓捕功能作為提高其工作成功率的重要功能之一，對抓捕任務的完成具有非常重要的作用。

技術實現(xiàn)要素：

要解決的技術問題

為了避免現(xiàn)有技術的不足之處，本發(fā)明提出一種空間失穩(wěn)非合作目標的二次抓捕控制策略。

技術方案

一種空間失穩(wěn)非合作目標的二次抓捕控制策略，其特征在于步驟如下：

步驟1：空間繩系機器人開始逼近目標，在滿足系統(tǒng)設定的抓捕條件且時進入步驟3；若不滿足抓捕條件進入步驟2；

步驟2：賦予控制系統(tǒng)回退過程的期望位置控制指令rd1和期望姿態(tài)控制指令σd1，空間繩系機器人在控制系統(tǒng)的作用下回退到安全距離，進入步驟1；

步驟3：進行抓捕，并判斷是否成功抓捕，若是，則抓捕成功，任務結束；若否，判斷系繩的張力fs是否滿足ls≤fs，若滿足，則表示系繩張緊，進入步驟4；若不滿足，則表示系繩松弛，進入步驟6；

步驟4：系繩張緊表面空間繩系機器人卡死，賦予控制系統(tǒng)卡死情況下的期望位置控制指令rd2和姿態(tài)控制指令σd2，進入步驟5；

步驟5：控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)空間繩系機器人的位置與姿態(tài)，判斷空間繩系機器人是否到達期望的位置rd2與姿態(tài)σd2，若是，進入步驟2；若否，則重復步驟5；

步驟6：判斷姿態(tài)角速度是否滿足若滿足，則表示空間繩系機器人失穩(wěn)，賦予控制系統(tǒng)失穩(wěn)情況下的期望角速度進入步驟7；若不滿足，進入步驟2；

步驟7：控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)空間繩系機器人的姿態(tài)角速度，判斷空間繩系機器人是否到達期望的角速度若是，進入步驟2；若否，則重復步驟7。

一種完成所述空間失穩(wěn)非合作目標的二次抓捕控制策略的控制律，其特征在于：

首先建立空間繩系機器人軌道以及姿態(tài)動力學模型：

其中x,y,z為空間繩系機器人相對于平臺的位置，fsx,ftx,fsy,fty,fsz,ftz分別為空間繩系機器人受到的除重力之外的力所產(chǎn)生的三個軸向上的系繩拉力和推力器推力。n為平臺軌道的軌道角速度，mc、ib分別為空間繩系機器人的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量。σb為修正羅德里格斯參數(shù)表示的空間繩系機器人本體的姿態(tài)矢量，h為空間繩系機器人的角動量；

h^×為矢量叉乘運算的反對稱矩陣：

g(σb)定義為：tb為空間繩系機器人本體受到的合外力矩；

其次建立最優(yōu)二次型對燃料消耗進行最優(yōu)控制，最優(yōu)控制律為：

u＝-kx

其中k為使得性能指標j＝∫[x^tqx+u^tru]dt取極小值時的解。j中矩陣q、r為hermite正定矩陣，x^tqx表示控制過程中的狀態(tài)偏差，u^tru表示控制過程中消耗的能量。要想降低燃料消耗則可以增大r中的系數(shù)。此時的控制輸出u即為系繩與推力器作用于空間繩系機器人上的合力f；

滑模控制律為：τ＝uc-ksat(s)

其中λ為對稱正定矩陣，為姿態(tài)偏差，σbc表示當前測量得到的姿態(tài)角，σbd為期望的本體姿態(tài)角；為姿態(tài)角速度偏差，表示當前測量得到的姿態(tài)角速度，為期望的姿態(tài)角速度。為根據(jù)位置誤差修正期望姿態(tài)角速度得到的參考姿態(tài)角速度；

有益效果

本發(fā)明提出的一種空間失穩(wěn)非合作目標的二次抓捕控制策略,首先建立的空間繩系機器人的軌道以及姿態(tài)動力系模型，然后對模型進行了變換與分析，根據(jù)軌道控制最少燃料的要求設計了最優(yōu)二次型控制器，根據(jù)二次抓捕策略的要求，基于姿態(tài)模型建模不精確性，外界未知干擾等的影響，設計了強魯棒性的準滑?？刂破鳌?/p>

附圖說明

圖1：空間繩系機器人抓捕目標示意圖：

1為空間平臺；2為空間繩系機器人；3為空間目標；4為地球；5為空間系繩；6為平臺軌道。

圖2：系統(tǒng)指令流向圖

圖3：整體的控制流程圖

圖4：控制策略示意圖。

具體實施方式

現(xiàn)結合實施例、附圖對本發(fā)明作進一步描述：

本發(fā)明所采用的技術方案包括：

1)空間繩系機器人二次抓捕控制策略；

2)空間繩系機器人軌道以及姿態(tài)動力學模型的建立；

3)控制器設計。

1)空間繩系機器人二次抓捕控制策略

二次抓捕是在首次抓捕進行到抓捕段后發(fā)現(xiàn)目標的狀態(tài)不便于抓捕，或是第一次抓捕失敗，但是繩系機器人仍然具備抓捕能力的情況下，先將繩系機器人回退到安全位置，然后調(diào)整繩系機器人的位姿對目標再次進行逼近抓捕的過程。

由于系繩的存在，在進行二次抓捕回退過程軌道控制時，可以利用系繩結合推力器讓空間繩系機器人能按照給定的軌跡回退到安全距離處。繩子的拉力可以用來輔助的軌道控制，減少推力器的燃料消耗。

二次抓捕過程的重點是控制空間繩系機器人安全退回到安全位置?？臻g繩系機器人安全回撤過程的難點是：空間繩系機器人與目標發(fā)生碰撞導致空間繩系機器人姿態(tài)發(fā)生劇烈變化，以及空間繩系機器人卡在目標上兩種情況。綜合考慮上述兩種情況，通過系繩張力的情況判斷空間繩系機器人抓捕后的狀態(tài)，對于空間繩系機器人姿態(tài)發(fā)生劇烈變化的情況，需要快速對其姿態(tài)進行穩(wěn)定控制，對于卡死的情況，需要先將空間繩系機器人繞x軸旋轉(zhuǎn)確定的角度，然后保持姿態(tài)穩(wěn)定進行軌道控制，兩種情況都可以認為是對給定的期望姿態(tài)進行跟蹤控制。整體的控制流程見圖3。

控制策略與系統(tǒng)各部分之間的關系見附圖2，二次抓捕控制策略主要是在空間繩系機器人在具備二次抓捕條件下，綜合各個傳感器測量得到目標的位置矢量rt、姿態(tài)矢量σt，系繩張力矢量fs，空間繩系機器人本體的位置矢量rb、姿態(tài)矢量σb等信息給出系統(tǒng)下一步的行動指令，然后給出控制器的期望跟蹤指令，最后控制器根據(jù)該指令計算出控制力矩。

控制策略的具體內(nèi)容如圖4：其中，表示空間繩系機器人與目標之間的相對位置矢量，表示空間繩系機器人與目標之間的相對姿態(tài)矢量，lr/σ/b/s,hr/σ分別表示對應參數(shù)的下限和上限。

2)空間繩系機器人軌道以及姿態(tài)動力學模型的建立

坐標系定義見附圖1.

綜合hill方程和姿態(tài)動力學方程，可得：

其中x,y,z為空間繩系機器人相對于平臺的位置，fsx,ftx,fsy,fty,fsz,ftz分別為空間繩系機器人受到的除重力之外的力所產(chǎn)生的三個軸向上的系繩拉力和推力器推力。n為平臺軌道的軌道角速度，mc、ib分別為空間繩系機器人的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量。σb為修正羅德里格斯參數(shù)表示的空間繩系機器人本體的姿態(tài)矢量，h為空間繩系機器人的角動量；

h^×為矢量叉乘運算的反對稱矩陣：

g(σb)定義為：tb為空間繩系機器人本體受到的合外力矩。

分別選擇位置參數(shù)姿態(tài)參數(shù)p＝σb，為狀態(tài)變量可以得到如下表達式：

上式中m(p)＝ibg^-1(σb)，

3)控制器設計

對于軌道控制，采用最優(yōu)二次型對燃料消耗進行最優(yōu)控制。

取最優(yōu)控制律為

u＝-kx

其中k為使得性能指標j＝∫[x^tqx+u^tru]dt取極小值時的解。j中矩陣q、r為hermite正定矩陣，x^tqx表示控制過程中的狀態(tài)偏差，u^tru表示控制過程中消耗的能量。要想降低燃料消耗則可以增大r中的系數(shù)。此時的控制輸出u即為系繩與推力器作用于空間繩系機器人上的合力f。

求解性能指標可知，k＝r^-1b^tp，其中p由a^tp+pa-pbr^-1b^tp+q＝0解得。

對于姿態(tài)控制，要求其先以一個較小的角速度繞本體系的x軸旋轉(zhuǎn)，脫離目標后，保持穩(wěn)定狀態(tài)，不自旋，各軸向的姿態(tài)角穩(wěn)定在期望值附近。為克服模型建模不精確以及系統(tǒng)干擾的影響，利用滑?？刂圃O計控制器：

定義滑模面為

其中λ為對稱正定矩陣，為姿態(tài)偏差，σbc表示當前測量得到的姿態(tài)角，σbd為期望的本體姿態(tài)角；為姿態(tài)角速度偏差，表示當前測量得到的姿態(tài)角速度，為期望的姿態(tài)角速度。為根據(jù)位置誤差修正期望姿態(tài)角速度得到的參考姿態(tài)角速度。

為避免顫振，采用如下控制律：

τ＝uc-ksat(s)

其中υc，pc為測量得到的系統(tǒng)狀態(tài)參量。

其中sat(s)為飽和函數(shù)，對于s的每一個分量si有如下關系：

假設系統(tǒng)的精確模型為其中為未建模部分以及外界未知干擾。

定義誤差模型為

其中

要使控制器漸進穩(wěn)定，則要求k中的每一項ki均滿足其中常數(shù)ηi是嚴格正的。