本發(fā)明屬于在軌服務、航天器控制、全身控制，尤其涉及一種多分支航天器分層無源全身柔順控制方法。

背景技術：

1、近年來，大型空間站、空間太陽能電站等大型空間設施的在軌建設和維護任務受到廣泛關注。為滿足其自主建造和維護需求，已開發(fā)了各種類型的操控航天器和空間機器人。與傳統(tǒng)的固定基座機械臂和單雙臂航天器相比，多分支航天器系統(tǒng)能夠單臂獨立或多臂協(xié)同地完成各類空間操控，并可在大型空間設施表面靈巧移動，是未來大型空間設施建造維護的主要工具和載體。多分支航天器在大型設施表面進行操作過程中不僅需要對機械臂末端執(zhí)行器進行力/位置控制，還需要兼顧航天器整體構型維持控制，面臨多層級協(xié)調控制的挑戰(zhàn)，而傳統(tǒng)僅關注末端位姿的控制方法難以實現(xiàn)對多分支航天器全身協(xié)調柔順控制。因此，本發(fā)明提出了一種能夠實現(xiàn)多臂協(xié)同并且兼容末端柔順操控與整體構型維持的多分支航天器分層無源全身柔順控制方法。

2、對于末端柔順控制，傳統(tǒng)固定參數(shù)阻抗控制方法難以應對目標位置與剛度的不確定性，而基于強化學習的阻抗控制方法性能較好，但計算量大，需要大量相關的訓練數(shù)據(jù)?？紤]到在軌操控實際需求，計算量較小，易于嵌入到分層控制框架中的自適應可變阻抗柔順控制策略是一種具有良好應用前景的方法。

3、此外，剛度變化與分層控制的零空間投影算子都有可能產(chǎn)生主動行為，從而導致系統(tǒng)不穩(wěn)定，針對這一問題，本發(fā)明引入了一種基于能量罐的系統(tǒng)無源性恢復方法，保障在軌操控過程中多分支航天器安全穩(wěn)定運行。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有技術中的問題，提出了一種多分支航天器分層無源全身柔順控制方法。面向多分支航天器在空間站表面操控任務需求，設計了分層無源全身柔順控制方法。該方法是結合了協(xié)同控制理論、分層控制理論、無源控制理論和阻抗控制理論的一種航天器全身控制方法。其優(yōu)點是可以實現(xiàn)末端執(zhí)行器柔順接觸和全身構型維持的多級兼容控制，并且在末端柔順控制層引入了自適應可變阻抗控制策略，解決了與目標的安全柔順接觸問題，同時，在各控制層級嵌入了基于能量罐的系統(tǒng)無源性補償控制器，可以保障系統(tǒng)運行過程的安全穩(wěn)定。

2、本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的，本發(fā)明提出一種多分支航天器分層無源全身柔順控制方法，所述方法包括以下步驟：

3、步驟一：建立多分支航天器與空間站整體的耦合動力學模型；

4、步驟二：采用主從式多臂協(xié)同策略，根據(jù)目標位置和姿態(tài)生成主操作臂的期望位置和姿態(tài)，然后根據(jù)主從臂之間相對位置與姿態(tài)關系得到從臂的期望位置與姿態(tài)；

5、步驟三：根據(jù)多個控制目的優(yōu)先級情況，設定末端6自由度柔順控制為主控制目標，關節(jié)柔順構型維持控制為次級控制目標，設計基于零空間投影方法的分層協(xié)調控制框架，并對零空間矩陣進行系統(tǒng)慣量加權處理，保證機械臂操控過程中瞬態(tài)動能最小化；采用類pd的經(jīng)典阻抗控制形式設計各層級控制律，得到基本的分層控制系統(tǒng)；

6、步驟四：結合各層級在非線性項的耦合關系，通過無源性反饋控制策略將耦合部分消除，避免各層級控制相互影響；

7、步驟五：對主控制層級的固定剛度增益進行修改，引入自適應可變阻抗調整策略，根據(jù)位置跟蹤誤差和力跟蹤誤差實時調整剛度增益；

8、步驟六：在各控制層級設計基于能量罐的系統(tǒng)無源性補償子系統(tǒng)，補償由于零空間投影算子和剛度變化導致的主動行為，恢復系統(tǒng)的無源性，得到補償后的任務空間控制指令；

9、步驟七：將各層級控制子系統(tǒng)生成的任務空間控制指令通過各層級對應的雅克比矩陣的慣量加權偽逆映射到關節(jié)空間中，生成關節(jié)力矩控制指令。

10、進一步地，在步驟一中，對于擁有4條7關節(jié)機械臂的多分支航天器單臂錨固在空間站，三臂協(xié)同抓取目標的操控任務，首先建立多分支航天器與空間站的耦合動力學模型：

11、

12、其中，代表多分支航天器與空間站的耦合慣量矩陣；c＝[cb?cm]代表非線性項矩陣；t是空間站控制力和力矩；τ是機械臂關節(jié)控制力矩；fext代表外部擾動力和力矩；xb表示空間站質心位置與姿態(tài)；θq代表關節(jié)角。

13、進一步地，步驟二中兩條從操作臂與主操作臂的相對位置與姿態(tài)推導過程為：

14、第一步：由三條操作臂協(xié)同抓取目標時的幾何關系可以得到三臂末端的運動閉鏈約束表示為：

15、

16、其中i＝[1,2,3]表示三條機械臂的標號；是第i個末端坐標系相對于目標質心坐標系的旋轉矩陣；是目標相對于第i個末端執(zhí)行器的姿態(tài)變換矩陣；ρi是從末端執(zhí)行器到目標質心的等效虛擬桿件；是目標的位置與姿態(tài)；是在航天器基座坐標系中第i個末端的位置與姿態(tài)；

17、第二步：將主操作臂的末端位置與姿態(tài)在空間站體坐標系下表示，得到主臂期望的位置與姿態(tài)為：

18、

19、第三步：將兩條從臂的末端位置與姿態(tài)與主臂的作差導出其相對位置與姿態(tài)為：

20、

21、其中，是第i條從臂和主臂末端之間的相對位置與姿態(tài)。

22、進一步地，步驟三中基于零空間投影的分層控制框架設計過程為：

23、第一步：對于具有h個層級的分層控制任務，正向運動學表示為：

24、

25、其中，ji表示第i個層級的雅可比矩陣；是關節(jié)角速度i∈[1,2]；

26、第二步：由多分支航天器的關節(jié)空間動力學建立任務空間動力學為：

27、

28、其中表示由作用在末端執(zhí)行器上的外力和力矩引起的關節(jié)扭矩；ae表示分層任務慣量矩陣；ce為分層任務的非線性項；為分層任務空間的速度；代表擴展雅克比矩陣，其中

29、第三步：設計慣量加權的零空間投影算子為：

30、

31、其中，ui-1表示上一級控制任務雅克比矩陣ji-1的零空間矩陣，通過矩陣奇異值分解得到；hm是多分支航天器的慣量矩陣；

32、第四步：設計各層級的控制律為：

33、

34、其中，表示在第i個層級任務空間狀態(tài)的實際值和期望值之間的誤差；ki＝kc_i+kv_i(t)代表剛度增益，由固定增益和時變增益兩部分組成；di代表阻尼增益；fi是各層級任務空間控制指令。

35、進一步地，對步驟四中描述的用于耦合消除的無源性反饋控制律推導過程進行描述如下：

36、第一步：將公式(6)中的非線性項ce展開成：

37、

38、其中，c11和c22分別代表主層級控制任務和次級控制任務的對角塊矩陣；c21＝-c12代表兩個層級非線性項的耦合分塊矩陣；

39、第二步：設計非線性項耦合部分無源反饋控制律為：

40、

41、其中，τdc是耦合項消除反饋的關節(jié)轉矩控制指令。

42、進一步地，對步驟五中描述的自適應可變阻抗控制律設計為：

43、

44、其中，ε(t)是初值設置為0的自適應調整系數(shù)；代表重新設計的變剛度增益；η為更新速率；t是控制器的采樣周期；fd_i和fet_i分別表示末端執(zhí)行器的期望接觸力和實際接觸力；并且根據(jù)勞斯穩(wěn)定性判據(jù)，η取值范圍為時，才能保證實際接觸力收斂到期望值。

45、進一步地，對步驟六中描述的基于能量罐的系統(tǒng)無源性補償子系統(tǒng)設計過程如下：

46、第一步：對公式(5)進行改寫可得：

47、

48、定義一個如下的能量罐系統(tǒng)：

49、

50、其中，ψt為能量罐的系統(tǒng)狀態(tài)；γt_i和δt_i分別表示能量罐的輸入和輸出，具體形式為：

51、

52、λi表示能量罐系統(tǒng)的能量補充系數(shù)，當能量罐中的能量大于等于規(guī)定的上限時，設置該系數(shù)為0；反之，則設定為一個在0到1范圍內的固定值，其數(shù)值大小決定了充能的快慢；xi表示第i個層級控制任務重新定義的狀態(tài)；xi表示第i個層級控制任務重新定義的狀態(tài)，可以表示為：

53、

54、并且，表示層級i控制任務的跟蹤誤差；定義能量罐中存儲的能量為

55、第二步：設計如下的能量罐補償子系統(tǒng)：

56、

57、其中，αi是能量罐與各層級控制器之間的控制開關，當能量罐中的能量大于預設的下限同時系統(tǒng)也產(chǎn)生主動行為時，設定αi＝1，代表能量罐給系統(tǒng)進行補償；反之，則設定αi＝0，代表能量罐與各層級控制器斷開；

58、第三步：得到補償后的任務空間系統(tǒng)控制指令：

59、

60、進一步地，對步驟七中描述的關節(jié)力矩控制律設計如下：

61、

62、本發(fā)明具有的有益效果是：

63、本發(fā)明能夠兼容多分支航天器在軌操控過程的多層級控制任務，可實現(xiàn)末端柔順接觸和整體構型維持的協(xié)調控制，有效提高了操作臂末端執(zhí)行器接觸目標過程的柔順性，并且保障多分支航天器運行過程中的穩(wěn)定性。相較于傳統(tǒng)僅關注末端接觸柔順控制的方法，本發(fā)明能夠在實現(xiàn)末端執(zhí)行器柔順控制的同時，還能實現(xiàn)對航天器整體構型的維持，一定程度上能避免臂桿與環(huán)境/目標的碰撞，將在空間站艙外巡檢維護、大型空間設施在軌建造等在軌服務領域發(fā)揮重要作用。