本發(fā)明涉及航天技術(shù)，具體涉及一種輸入受限的空間非合作目標(biāo)可控質(zhì)量邊界確定方法。

背景技術(shù)：

使用空間機(jī)器人進(jìn)行的在軌維修(on-orbitservicing，oos)中，在抓捕后階段，由于在追蹤器和目標(biāo)之間存在初始相對速度/角速度，抓捕后組合體姿態(tài)的整體姿態(tài)會發(fā)生改變。這些變化可能會損害捕獲機(jī)構(gòu)或影響后續(xù)任務(wù)。此外，為了隨后可能進(jìn)行的例如姿態(tài)定向或軌道機(jī)動任務(wù)，抓捕后組合體的姿態(tài)需要按照期望變化。因此，必須對抓捕后組合體的姿態(tài)控制進(jìn)行研究。

然而幾乎沒有研究考慮追蹤航天器和目標(biāo)之間的質(zhì)量比對控制系統(tǒng)的影響，且通常在研究中，均認(rèn)為目標(biāo)的質(zhì)量遠(yuǎn)小于追蹤航天器的質(zhì)量，這會導(dǎo)致目標(biāo)帶來的不確定性大大降低。而如今，目標(biāo)與追蹤航天器的質(zhì)量比正有逐漸加大的趨勢：1)研究人員提出了一系列針對大型空間碎片殘骸或小行星的抓捕計劃，如nasa的amr計劃，該計劃是一個典型的大目標(biāo)計劃，其針對的小行星質(zhì)量達(dá)到了2.5-13×10⁵kg。由于低成本低能耗及高靈活高機(jī)動的優(yōu)點(diǎn)，小衛(wèi)星以及微小型衛(wèi)星的應(yīng)用愈發(fā)廣泛，通過小衛(wèi)星執(zhí)行抓捕任務(wù)的概念計劃也紛紛出爐，而通常目標(biāo)的質(zhì)量要遠(yuǎn)大于實(shí)施抓捕操作的小型微型。同時，大型空間碎片的存在極大的威脅了在軌航天器與航天員的出艙任務(wù)。即針對目標(biāo)質(zhì)量大于追蹤航天器質(zhì)量的抓捕后組合體控制研究亟待進(jìn)行。

綜上所述，出于明確本體目標(biāo)質(zhì)量比與追蹤航天器控制之間的關(guān)系，需要一種輸入受限的空間非合作目標(biāo)可控質(zhì)量邊界確定方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述不足，提供一種輸入受限的空間非合作目標(biāo)可控質(zhì)量邊界確定方法，在小衛(wèi)星抓捕大型目標(biāo)時，明確追蹤航天器質(zhì)量和目標(biāo)質(zhì)量比對控制系統(tǒng)的明確影響，以及本體執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸入受限情況下可控的目標(biāo)質(zhì)量邊界。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明包括以下步驟：

步驟一、通過設(shè)定目標(biāo)/本體質(zhì)量比系數(shù)，得到含有該系數(shù)的組合體轉(zhuǎn)動慣量表達(dá)式；

步驟二、設(shè)計輸入受限下的組合體姿態(tài)控制律，得到質(zhì)量比系數(shù)與受限控制輸入之間的關(guān)系；

步驟三、結(jié)合控制律，通過非線性規(guī)劃計算最大質(zhì)量邊界。

所述步驟一中，設(shè)定目標(biāo)/本體質(zhì)量比系數(shù)，替換目標(biāo)質(zhì)量相關(guān)項(xiàng)，得到含有該系數(shù)的組合體轉(zhuǎn)動慣量表達(dá)式。

所述步驟二中，通過控制律設(shè)計得到質(zhì)量比系數(shù)與受限控制力矩之間的關(guān)系式。

所述步驟三中，通過非線性規(guī)劃計算最大質(zhì)量邊界。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明是通過采用質(zhì)量比對慣量參數(shù)中目標(biāo)部分的替換，設(shè)計帶有執(zhí)行機(jī)構(gòu)飽和的控制律，推導(dǎo)質(zhì)量比與控制輸入之間的關(guān)系。利用非線性規(guī)劃理論，獲取控制飽和下的最大質(zhì)量邊界，得到可控質(zhì)量區(qū)間。在小衛(wèi)星抓捕大型目標(biāo)時，明確追蹤航天器質(zhì)量和目標(biāo)質(zhì)量比對控制系統(tǒng)的明確影響，以及本體執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸入受限情況下可控的目標(biāo)質(zhì)量邊界。

附圖說明

圖1為本發(fā)明抓捕非合作目標(biāo)后組合體示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

參見圖1，本發(fā)明提供了一種輸入受限的空間非合作目標(biāo)可控質(zhì)量邊界確定方法，包括以下過程：

首先在機(jī)械臂本體抓捕非合作目標(biāo)后，形成本體-機(jī)械臂-目標(biāo)組合體；然后通過對組合體慣量參數(shù)的計算和變形，獲得含有本體和目標(biāo)質(zhì)量比的慣量張量；最后通過設(shè)計帶有執(zhí)行機(jī)構(gòu)飽和的控制律獲得質(zhì)量比關(guān)于控制輸入的關(guān)系式，采用非線性規(guī)劃理論進(jìn)行最大質(zhì)量邊界確定。

具體步驟為：

步驟一：設(shè)定質(zhì)量比系數(shù)，替換目標(biāo)質(zhì)量相關(guān)項(xiàng)：

設(shè)定目標(biāo)/本體質(zhì)量比km：

目標(biāo)轉(zhuǎn)動慣量：

其中i3為3×3的單位矩陣。

其中jc為組合體轉(zhuǎn)動慣量；jb,jm分別為本體基座和機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動慣量；jt為非合作目標(biāo)的轉(zhuǎn)動慣量；^cr(*)為旋轉(zhuǎn)矩陣；ret為機(jī)械臂末端至目標(biāo)質(zhì)心的矢量；rc(*)是組合體質(zhì)心到組合體各部分質(zhì)心矢量；mb,mm,mt分別為本體，機(jī)械臂，目標(biāo)的質(zhì)量。

步驟二：通過控制律設(shè)計得到質(zhì)量比系數(shù)與受限控制力矩之間的關(guān)系式：

其中sat(u)為輸入受限的控制力矩；k1為控制系數(shù)；ωe為角速度誤差；ωcd為期望角速度；^drc為體坐標(biāo)系與期望坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣；為關(guān)于期望角速度的函數(shù)；為關(guān)于機(jī)械臂末端至目標(biāo)質(zhì)心矢量的函數(shù)；設(shè)定ω1＝^drcωcd，l(*)為線性變化。

步驟三：利用非線性規(guī)劃理論，列出規(guī)劃目標(biāo)與約束條件，迭代計算最大質(zhì)量：

待迭代方程：

約束條件：

其中sgn(*)為符號函數(shù)；為最大控制輸入。

選擇迭代：

其中αk為服從erlang分布的隨機(jī)步長，dk為搜索方向：

其中ε為梯度權(quán)值，兩個梯度函數(shù)分別為：

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)。