一種空間繩系機(jī)器人目標(biāo)抓捕后復(fù)合體穩(wěn)定控制方法
【專利說(shuō)明】一種空間繩系機(jī)器人目標(biāo)抓捕后復(fù)合體穩(wěn)定控制方法 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于航天器控制技術(shù)研究領(lǐng)域，具體涉及一種空間繩系機(jī)器人目標(biāo)抓捕后 復(fù)合體穩(wěn)定控制方法。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 空間繩系機(jī)器人由于其靈活、安全、燃料消耗低等特點(diǎn)，在空間在軌服務(wù)中有著廣 泛的作用，可以進(jìn)行失效衛(wèi)星救助、太空垃圾清理、輔助變軌等操作。
[0003] 根據(jù)空間繩系機(jī)器人的任務(wù)流程，可以分為釋放、逼近目標(biāo)、目標(biāo)抓捕、目標(biāo)抓捕 后穩(wěn)定和目標(biāo)捕獲后操作五個(gè)階段，其中目標(biāo)抓捕后復(fù)合體穩(wěn)定控制是空間繩系機(jī)器人的 主要研究之一。
[0004] 空間繩系機(jī)器人對(duì)目標(biāo)抓捕后，由于碰撞和目標(biāo)的自旋，導(dǎo)致抓捕后復(fù)合體的姿 態(tài)不穩(wěn)定，不施加控制會(huì)發(fā)生系繩纏繞等不利情況，系繩拉力對(duì)平臺(tái)本身產(chǎn)生巨大干擾，因 此，需要對(duì)抓捕后復(fù)合體的姿態(tài)進(jìn)行控制。由于空間機(jī)器人自身的控制力矩較有限，抓捕后 復(fù)合體進(jìn)行穩(wěn)定控制時(shí)，會(huì)出現(xiàn)推力器輸入飽和受限情況，對(duì)復(fù)合體控制性能會(huì)產(chǎn)生較大 的影響。此外，由于放繩機(jī)構(gòu)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(shè)計(jì)合適的控制策略，保證系繩收放速度受限情況下復(fù)合體姿態(tài)控制的穩(wěn)定性。
[0005] 目標(biāo)抓捕后復(fù)合體穩(wěn)定是空間繩系機(jī)器人的重要任務(wù)之一，目標(biāo)抓捕后復(fù)合體穩(wěn) 定控制直接影響后續(xù)拖曳變軌或者回收操作任務(wù)的順利進(jìn)行，它成為空間繩系機(jī)器人領(lǐng)域 的研究重點(diǎn)。
[0006] 申請(qǐng)?zhí)枮椋?01310018221. 7的中國(guó)專利提出了一種空間繩系機(jī)器人抓捕后復(fù)合 體控制方法，利用推力器和系繩實(shí)現(xiàn)復(fù)合體的穩(wěn)定控制；申請(qǐng)?zhí)枮椋?01410341562. 2的中 國(guó)專利提出利用系繩拉力結(jié)合空間繩系機(jī)械臂的構(gòu)型變化產(chǎn)生所需的控制力矩，從而實(shí)現(xiàn) 復(fù)合體的姿態(tài)穩(wěn)定。以上專利均僅僅考慮了復(fù)合體姿態(tài)的穩(wěn)定控制，而復(fù)合體穩(wěn)定控制還 需要對(duì)位置進(jìn)行穩(wěn)定控制，因此一定程度限制了這兩種控制方法的使用。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0007] 本發(fā)明的目的在于解決上述問(wèn)題，提供一種空間繩系機(jī)器人目標(biāo)抓捕后復(fù)合體穩(wěn) 定控制方法，該方法可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)抓捕后復(fù)合體位姿的穩(wěn)定控制。
[0008] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：
[0009] -種空間繩系機(jī)器人目標(biāo)抓捕后復(fù)合體穩(wěn)定控制方法，包括以下步驟：
[0010] 1)建立空間繩系機(jī)器人目標(biāo)抓捕后復(fù)合體動(dòng)力學(xué)方程；
[0011] 2)計(jì)算虛擬控制輸入ξ 2。；
[0012] 3)計(jì)算得到期望系統(tǒng)狀態(tài)量
[0013] 4)估計(jì)抓捕后復(fù)合體模型不確定性木：
[0014] 5)計(jì)算抓捕后復(fù)合體穩(wěn)定控制力和控制力矩Q。
[0015] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于：
[0016] 所述的步驟1)中，空間繩系機(jī)器人目標(biāo)抓捕動(dòng)力學(xué)方程為：
[0018] 其中
為空間系繩長(zhǎng)度；α為空間系繩面內(nèi)角；β 為空間系繩面外角；#、Θ和φ為復(fù)合體姿態(tài)角；Μ為系統(tǒng)慣量矩陣；Ν非線性速度相關(guān)項(xiàng)； G重力相關(guān)項(xiàng)；Q為空間繩系機(jī)器人控制力與控制力矩。
[0019] 所述的步驟2)中，根據(jù)
計(jì)算虛擬控制輸入ξ2。，其中&為設(shè)計(jì)的 正定矩陣；ξ fild，其中ξ，ξ lds ξ i的期望值，4?為|^對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)。
[0020] 所述的步驟3)中，計(jì)算出期望系統(tǒng)狀態(tài)量|2d的方法為：通過(guò)一階濾波
:實(shí)現(xiàn)，其中ε >0。
[0021] 所述的步驟4)中，復(fù)合體模型不確定性木通過(guò)以下方法得到：
其中，a和ε 正數(shù)，
投 影算子；η = ξ X，X通過(guò)濾波器
f得到；KjP Ρ為正定矩陣。
[0022] 所述的步驟5)中，計(jì)算抓捕后復(fù)合體穩(wěn)定控制力和控制力矩Q :
，其中Q為Q。通過(guò)飽和環(huán)節(jié)得到，Μ。 為系統(tǒng)名義慣量矩陣；Ν。名義非線性速度相關(guān)項(xiàng)；G。名義重力相關(guān)項(xiàng)。
[0023] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：
[0024] 本發(fā)明空間繩系機(jī)器人目標(biāo)抓捕后復(fù)合體穩(wěn)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(jìn)行控制器設(shè)計(jì)，保證了控制器的穩(wěn)定性。本發(fā)明 設(shè)計(jì)了自適應(yīng)律，對(duì)復(fù)合體不確定性進(jìn)行估計(jì)，并在控制器中進(jìn)行補(bǔ)償，提高了控制精度。 本發(fā)明通過(guò)濾波器對(duì)控制輸入進(jìn)行限制，從而提高控制器的穩(wěn)定性。 【【附圖說(shuō)明】】
[0025] 圖1為空間繩系機(jī)器人目標(biāo)抓捕示意圖。
[0026] 圖中：1.抓捕目標(biāo)；2.空間繩系機(jī)器人；3.空間系繩；4.空間平臺(tái)；5.地球；6.抓 捕后復(fù)合體。 【【具體實(shí)施方式】】
[0027] 以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。應(yīng)當(dāng)指出的是，所描述的實(shí)施例僅旨在 便于對(duì)本發(fā)明的理解，而對(duì)其不起任何限定作用。
[0028] 參見圖1，本發(fā)明空間繩系機(jī)器人目標(biāo)抓捕后復(fù)合體穩(wěn)定控制方法，包括以下步 驟：
[0029] 1)建立空間繩系機(jī)器人目標(biāo)抓捕后復(fù)合體動(dòng)力學(xué)方程
[0031 ] 其中，系統(tǒng)狀態(tài)
：其中1、α和β分別為空間系 繩長(zhǎng)度、空間系繩面內(nèi)角和空間系繩面外角，爐、Θ和φ為抓捕后復(fù)合體姿態(tài)角；
為廣義控制力。
[0032] 2)計(jì)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(duì)ξ le兩邊求導(dǎo)可以得到：
[0037] 設(shè)ξ 2(：為ξ 2的虛擬輸入，設(shè)計(jì)為：
[0039] 其中，&為正定矩陣。
[0040] 3)計(jì)算得到期望系統(tǒng)狀態(tài)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(duì)系統(tǒng)狀態(tài)ξ 2進(jìn)行限制， 具體方法為：
[0043] 其中 ε > 〇·
[0044] 4)估計(jì)抓捕后復(fù)合體模型不確定性|￡
[0045] ξ 2e誤差動(dòng)力學(xué)方程可以表示為：
[0047] 其中
為系統(tǒng)不確定性，其主要由復(fù)合體 質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和系繩連接點(diǎn)位置等參數(shù)的誤差產(chǎn)生。假設(shè)系統(tǒng)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(shè)計(jì)自適應(yīng)律對(duì)\進(jìn)行估計(jì)，得到其估計(jì)值 λ,：
[0049]其中，a和 ε 入為正數(shù)；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(guò)以下一階濾波器得到：
[0051] 其中，Κ2為正定矩陣。
[0052] 5)計(jì)算抓捕后復(fù)合體穩(wěn)定控制力和控制力矩Q
[0053] 根據(jù)
得到Q。，然后將Q。輸入 飽和環(huán)節(jié)得到Q，Q為實(shí)際的輸入控制力和控制力矩；Μ。為系統(tǒng)名義慣量矩陣；Ν。名義非線 性速度相關(guān)項(xiàng)；G。名義重力相關(guān)項(xiàng)。
[0054] 以上內(nèi)容僅為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按 照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明權(quán)利要求書 的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種空間繩系機(jī)器人目標(biāo)抓捕后復(fù)合體穩(wěn)定控制方法，其特征在于，包括以下步 驟： 1) 建立空間繩系機(jī)器人目標(biāo)抓捕后復(fù)合體動(dòng)力學(xué)方程； 2) 計(jì)算虛擬控制輸入ξ 2。； 3) 計(jì)算得到期望系統(tǒng)狀態(tài)量I2d; 4) 估計(jì)抓捕后復(fù)合體模型不確定性i,; 5) 計(jì)算抓捕后復(fù)合體穩(wěn)定控制力和控制力矩Q。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間繩系機(jī)器人目標(biāo)抓捕后復(fù)合體穩(wěn)定控制方法，其特征在 于，所述的步驟1)中，空間繩系機(jī)器人目標(biāo)抓捕動(dòng)力學(xué)方程為：其中：1為空間系繩長(zhǎng)度；α為空間系繩面內(nèi)角；β為空 間系繩面外角；識(shí)、Θ和φ為復(fù)合體姿態(tài)角；M為系統(tǒng)慣量矩陣；N非線性速度相關(guān)項(xiàng)；G重 力相關(guān)項(xiàng)；Q為空間繩系機(jī)器人控制力與控制力矩。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間繩系機(jī)器人目標(biāo)抓捕后復(fù)合體穩(wěn)定控制方法，其特征在 于，所述的步驟2)中，根據(jù)計(jì)算虛擬控制輸入ξ 2。，其中K1為設(shè)計(jì)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(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間繩系機(jī)器人目標(biāo)抓捕后復(fù)合體穩(wěn)定控制方法，其 特征在于，所述的步驟3)中，計(jì)算出期望系統(tǒng)狀態(tài)量I 2d的方法為：通過(guò)一階濾波實(shí)現(xiàn)，其中ε >0。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間繩系機(jī)器人目標(biāo)抓捕后復(fù)合體穩(wěn)定控制方法，其特征在 于，所述的步驟4)中，復(fù)合體模型不確定性i,通過(guò)以下方法得到：其 中，a和 ε ；^為正數(shù)，η·η = (ηιηι Ti2Ti2 n3n3)T，Proj( ·)投影算子；n = I2e-X， X通過(guò)濾波器I得到；1(2和P為正定矩陣。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間繩系機(jī)器人目標(biāo)抓捕后復(fù)合體穩(wěn)定控制方 法，其特征在于，所述的步驟5)中，計(jì)算抓捕后復(fù)合體穩(wěn)定控制力和控制力矩Q :其中Q為Q。通過(guò)飽和環(huán)節(jié)得到，M。 為系統(tǒng)名義慣量矩陣；N。名義非線性速度相關(guān)項(xiàng)；G。名義重力相關(guān)項(xiàng)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種空間繩系機(jī)器人目標(biāo)抓捕后復(fù)合體穩(wěn)定控制方法，包括以下步驟：1)建立空間繩系機(jī)器人目標(biāo)抓捕后復(fù)合體動(dòng)力學(xué)方程；2)計(jì)算虛擬控制輸入ξ2c；3)計(jì)算得到期望系統(tǒng)狀態(tài)量ξ2d；4)估計(jì)抓捕后復(fù)合體模型不確定性；5)計(jì)算抓捕后復(fù)合體穩(wěn)定控制力和控制力矩Q。本發(fā)明考慮了系繩放繩速度限制情況下，利用指令濾波方法，進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)，保證了控制器的穩(wěn)定性。本發(fā)明設(shè)計(jì)了自適應(yīng)律，對(duì)復(fù)合體不確定性進(jìn)行估計(jì)，并在控制器中進(jìn)行補(bǔ)償，提高了控制精度。本發(fā)明通過(guò)濾波器對(duì)控制輸入進(jìn)行限制，從而提高控制器的穩(wěn)定性。
【IPC分類】G05D19/02
【公開號(hào)】CN105353790
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510794393
【發(fā)明人】黃攀峰, 王東科, 魯迎波, 孟中杰, 劉正雄
【申請(qǐng)人】西北工業(yè)大學(xué)
【公開日】2016年2月24日
【申請(qǐng)日】2015年11月17日