一種空間繩系機(jī)械臂目標(biāo)抓捕后復(fù)合體姿態(tài)穩(wěn)定控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種空間繩系機(jī)械臂目標(biāo)抓捕后復(fù)合體姿態(tài)穩(wěn)定控制方法，首先設(shè)計(jì)空間繩系機(jī)械臂目標(biāo)抓捕后復(fù)合體的姿態(tài)控制器，計(jì)算出復(fù)合體期望的姿態(tài)控制力矩，然后通過空間繩系機(jī)械臂自身推力器、機(jī)械臂構(gòu)型和系繩拉力實(shí)現(xiàn)期望的姿態(tài)力矩。本發(fā)明考慮利用空間繩系機(jī)械臂臂形變化，結(jié)合空間系繩的拉力和空間繩系機(jī)器人自身的推力器推力實(shí)現(xiàn)空間繩系機(jī)器人的姿態(tài)穩(wěn)定控制，機(jī)械臂的臂形變化大幅度提升了系繩拉力的使用范圍，能夠有效實(shí)現(xiàn)空間繩系機(jī)器人抓捕后復(fù)合體的姿態(tài)穩(wěn)定控制。
【專利說明】一種空間繩系機(jī)械臂目標(biāo)抓捕后復(fù)合體姿態(tài)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)械臂目標(biāo)抓捕后 復(fù)合體姿態(tài)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?？臻g繩系機(jī)械臂為空 間繩系機(jī)器人的一種，其具有較大的工作空間和靈巧的操作性能。
[0003] 根據(jù)空間繩系機(jī)械臂的任務(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，其中抓捕后的復(fù)合體姿態(tài)控制是空間繩系機(jī)械臂的主 要研究之一?？臻g繩系機(jī)械臂對(duì)目標(biāo)抓捕后，由于碰撞和目標(biāo)本身的自旋，導(dǎo)致抓捕后復(fù)合 體的姿態(tài)不穩(wěn)定，不施加控制甚至?xí)l(fā)生系繩纏繞，系繩的拉力對(duì)平臺(tái)本身的巨大干擾，因 此，需要對(duì)抓捕后復(fù)合體的姿態(tài)進(jìn)行控制。由于空間繩系機(jī)械臂自身的控制力矩較小，且燃 料有限，使得僅僅使用空間繩系機(jī)械臂自身推力器是很難實(shí)現(xiàn)抓捕后復(fù)合體的姿態(tài)穩(wěn)定， 因此有必要利用系繩和推力器協(xié)調(diào)對(duì)復(fù)合體姿態(tài)進(jìn)行控制。抓捕后的復(fù)合體姿態(tài)控制直接 影響著任務(wù)的成敗，它成為空間繩系機(jī)器人領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。
[0004] 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，其利用系繩拉力提供控制力矩時(shí)， 其力臂被動(dòng)不可改變，大大限制了系繩拉力的使用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種可以廣泛應(yīng)用于空間繩系機(jī)械臂目標(biāo)抓捕后復(fù)合體 姿態(tài)穩(wěn)定控制中的空間繩系機(jī)械臂目標(biāo)抓捕后復(fù)合體姿態(tài)穩(wěn)定控制方法，該控制方法可以 降低對(duì)推力器推力要求，減少燃料消耗，有效實(shí)現(xiàn)空間繩系機(jī)械臂抓捕后復(fù)合體的姿態(tài)穩(wěn) 定控制。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案包括以下步驟：
[0007] 1)建立空間繩系機(jī)械臂目標(biāo)抓捕后復(fù)合體動(dòng)力學(xué)方程；
[0008] 2)計(jì)算出復(fù)合體期望的姿態(tài)控制力矩u ;
[0009] 3)姿態(tài)控制力矩的協(xié)調(diào)分配；
[0010] 4)姿態(tài)控制力矩的實(shí)現(xiàn)。
[0011] 所述的步驟1)中，空間繩系機(jī)械臂目標(biāo)抓捕后復(fù)合體動(dòng)力學(xué)方程為：
[0012]

【權(quán)利要求】
1. 一種空間繩系機(jī)械臂目標(biāo)抓捕后復(fù)合體姿態(tài)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)械臂目標(biāo)抓捕后復(fù)合體動(dòng)力學(xué)方程； 2) 計(jì)算出復(fù)合體期望的姿態(tài)控制力矩u ; 3) 姿態(tài)控制力矩的協(xié)調(diào)分配； 4) 姿態(tài)控制力矩的實(shí)現(xiàn)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間繩系機(jī)械臂目標(biāo)抓捕后復(fù)合體姿態(tài)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)械臂目標(biāo)抓捕后復(fù)合體動(dòng)力學(xué)方程為：
其中，氣=U為目標(biāo)的加速度，t和為:分別為目標(biāo)的線加速度和角加速度，％和 為目標(biāo)的線速度和角速度；
^為操作機(jī)械臂關(guān)節(jié)角加速度向量，表示操 作機(jī)械臂與目標(biāo)之間的關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角，θ2，…，θη分別表示操作機(jī)械臂的關(guān)節(jié)角，n為 機(jī)械臂關(guān)節(jié)數(shù)；
，其中Μ為復(fù)合體的質(zhì)量總和，Ε為單位矩 陣，r%為目標(biāo)質(zhì)心到復(fù)合體質(zhì)心向量，< 為r(lg的斜矩陣形式，</為< 的轉(zhuǎn)置矩陣， K ，mi為第i個(gè)關(guān)節(jié)的質(zhì)量，rQi為目標(biāo)質(zhì)心到第i個(gè)機(jī)械臂質(zhì)心向量， Μ C為的斜矩陣形式，C為 < 的轉(zhuǎn)置矩陣，L為目標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，L Q = 1，2,. . .，η)為各 關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
，
，其中，

，:^為第i個(gè)機(jī)械臂質(zhì)心向量，ρη為第i個(gè)關(guān)節(jié)向量； cb e R6X1、c。e R2X1分別為目標(biāo)運(yùn)動(dòng)和操作機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)相關(guān)的非線性力，包括向心力和哥 <為目標(biāo)所受的力和力矩；τ。e RnX1為作用在操作機(jī)械臂關(guān)節(jié)處的驅(qū)動(dòng) 4為作用在機(jī)械臂末端的力和力矩；其中f； fthruster+ftether? fthruster 為基 體的推力器產(chǎn)生的推力，ftrthOT為系繩拉力：τ e為機(jī)械臂末端受到的推力控制力矩； 利用修正羅德里格斯參數(shù)建立復(fù)合體姿態(tài)動(dòng)力學(xué)方程：* = ，其中〇 〇 i 〇 2 〇 3]T e R3為羅德里格斯參數(shù)表示的復(fù)合體姿態(tài)，
σ x為斜 矩陣，I為3X3單位矩陣。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間繩系機(jī)械臂目標(biāo)抓捕后復(fù)合體姿態(tài)穩(wěn)定控制方法，其特 征在于：所述的步驟2)中，復(fù)合體期望的姿態(tài)控制力矩u的具體計(jì)算方法為： 根據(jù)u( σ e，t，i) = _Hbu [Kp(l+。。e) σ e+Kdco J計(jì)算得到復(fù)合體期望的姿態(tài)控制力 矩，其中，為目標(biāo)的姿態(tài)角誤差，Kp為比例系數(shù)矩陣，Kd為微分系數(shù)矩 陣。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間繩系機(jī)械臂目標(biāo)抓捕后復(fù)合體姿態(tài)穩(wěn)定控制方法，其特 征在于：所述的步驟3)中，協(xié)調(diào)分配姿態(tài)控制力矩的具體方法是： 對(duì)每時(shí)刻進(jìn)行空間繩系機(jī)械臂進(jìn)行臂形規(guī)劃，利用優(yōu)化算法設(shè)計(jì)出一組期望的關(guān)節(jié)角 ? d及系繩拉力T，結(jié)合空間繩系機(jī)械臂自身推力，最大程度實(shí)現(xiàn)期望的控制力矩u ; 目標(biāo)函數(shù)為：
其中，= (/C + wh"u./:為第t時(shí)刻關(guān)節(jié)角〇、系繩拉力τ和空間繩系機(jī) 械臂推力器的推力τΜ?1產(chǎn)生的姿態(tài)協(xié)調(diào)控制力矩，?i(t)為第t時(shí)刻第i個(gè)機(jī)械臂的關(guān) 節(jié)角，? i (t-i)為第t-Ι時(shí)刻第i個(gè)機(jī)械臂的關(guān)節(jié)角，&和k2分別為權(quán)重系數(shù)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間繩系機(jī)械臂目標(biāo)抓捕后復(fù)合體姿態(tài)穩(wěn)定控制方法，其特 征在于：所述的步驟4)中，實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制力矩的具體方法是： 通過驅(qū)動(dòng)空間繩系機(jī)械臂跟蹤規(guī)劃出的關(guān)節(jié)角，加上空間繩系機(jī)械臂本體的推力機(jī)構(gòu) 和系繩拉力，聯(lián)合實(shí)現(xiàn)抓捕后復(fù)合體的姿態(tài)控制。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的空間繩系機(jī)械臂目標(biāo)抓捕后復(fù)合體姿態(tài)穩(wěn)定控制方法，其特 征在于：空間繩系機(jī)械臂關(guān)節(jié)角控制器為r = If W冷，./'F, _ 其中B為對(duì) 角正定矩陣，Δ參》論-?為關(guān)節(jié)角速度誤差，巍為期望關(guān)節(jié)角，#為實(shí)際關(guān)節(jié)角；4為期 望關(guān)節(jié)角加速度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的空間繩系機(jī)械臂目標(biāo)抓捕后復(fù)合體姿態(tài)穩(wěn)定控制方法，其特 征在于：空間繩系機(jī)械臂本體的推力機(jī)構(gòu)直接驅(qū)動(dòng)推力器產(chǎn)生所需的控制力矩，空間系繩 產(chǎn)生相應(yīng)的系繩拉力，實(shí)現(xiàn)復(fù)合體姿態(tài)的穩(wěn)定控制。
【文檔編號(hào)】G05D1/08GK104142687SQ201410341562
【公開日】2014年11月12日 申請(qǐng)日期:2014年7月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月17日
【發(fā)明者】黃攀峰, 王東科, 周科偉, 孟中杰, 劉正雄, 蔡佳 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)