一種利用偏置系繩的空間飛行器姿態(tài)穩(wěn)定控制方法
【專利說(shuō)明】一種利用偏置系繩的空間飛行器姿態(tài)穩(wěn)定控制方法 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種空間飛行器利用偏置系繩的姿態(tài)穩(wěn)定控制方法，屬于空間飛行器 在軌服務(wù)領(lǐng)域。 【【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，可以廣泛應(yīng)用于太空垃圾清理、失效衛(wèi)星救助、靜止軌道站位再生等操作?？臻g 繩系機(jī)器人有空間平臺(tái)、空間系繩、抓捕機(jī)構(gòu)三部分組成。由于抓捕機(jī)構(gòu)的位置與任務(wù)的成 敗密切相關(guān)，目前的空間繩系機(jī)器人的飛行控制研究多集中在抓捕機(jī)構(gòu)的飛行控制上。而 空間系繩的存在使得抓捕機(jī)構(gòu)的飛行控制變得十分困難。
[0003] 在傳統(tǒng)的空間飛行器飛行控制中，空間系繩的張力被視為干擾，通過(guò)抓捕機(jī)構(gòu)攜 帶推力器和動(dòng)量輪等進(jìn)行抑制。近年來(lái)，黃攀峰、孟中杰等人提出了一種變干擾為控制力的 系繩、推力器協(xié)調(diào)控制思路，但是僅利用系繩拉力進(jìn)行抓捕機(jī)構(gòu)的減速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)與推力器 協(xié)同實(shí)現(xiàn)軌道控制。假設(shè)系繩與抓捕機(jī)構(gòu)的連接點(diǎn)與抓捕機(jī)構(gòu)的質(zhì)心不重合，系繩產(chǎn)生的 張力矩可以穩(wěn)定抓捕機(jī)構(gòu)與系繩方向垂直的兩個(gè)方向（一般稱為俯仰通道、偏航通道）的 姿態(tài)，另外一個(gè)方向（滾轉(zhuǎn)通道）的姿態(tài)需要引入動(dòng)量輪。但是，系繩張力一般被用來(lái)與 推力器聯(lián)合進(jìn)行軌道控制，要利用張力矩控制姿態(tài)，必須利用可變的系繩連接點(diǎn)位置信息。 Nohmi M教授等人針對(duì)此問(wèn)題，提出一種偏置系繩連接桿的方式，并利用PID控制設(shè)計(jì)控制 系統(tǒng)，但是未考慮軌道的干擾、控制器穩(wěn)定等問(wèn)題。文浩、金棟平等人基于偏置系繩連接桿， 利用偽譜法，提出一種開(kāi)環(huán)優(yōu)化和閉環(huán)跟蹤的控制方法，其核心在于開(kāi)環(huán)優(yōu)化，在閉環(huán)跟蹤 方面，采用線性化模型的最優(yōu)控制或回退時(shí)域控制。王東科等人提出了一種利用多系繩結(jié) 構(gòu)改變系繩連接點(diǎn)的方法，但對(duì)姿態(tài)/軌道耦合控制問(wèn)題未深入研究。
[0004] 因此，綜合姿態(tài)/軌道耦合問(wèn)題，需要設(shè)計(jì)一種利用偏置系繩的空間繩系機(jī)器人 飛行控制系統(tǒng)，充分利用系繩張力、實(shí)現(xiàn)軌道控制；充分利用系繩張力矩，實(shí)現(xiàn)姿態(tài)穩(wěn)定。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0005] 本發(fā)明的目的在于提出一種利用偏置系繩的空間飛行器姿態(tài)穩(wěn)定控制方法。該控 制方法通過(guò)移動(dòng)系繩與飛行器的連接點(diǎn)，充分利用系繩張力矩，實(shí)現(xiàn)系繩張力的充分利用。
[0006] 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)：
[0007] -種利用偏置系繩的空間飛行器姿態(tài)穩(wěn)定控制方法，包括以下步驟：
[0008] 1)建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型；
[0009] 2)將非仿射非線性系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)化為仿射非線性系統(tǒng)模型；
[0010] 選擇系統(tǒng)狀態(tài)X = [x1;x2]，其中，
；系統(tǒng) 輸入為：u = [Q1 Qa/1 dx]T，則系統(tǒng)模型⑵寫(xiě)為： UiN 丄 Λ J ^ 厶/ O X
[0011]
[0012] 設(shè)計(jì)虛擬信號(hào)υ :
[0013]
(4)
[0014] 1為設(shè)計(jì)的3X3的正定矩陣；
[0015]
[0016]
[0017] 其中，
^ Δ為一階泰勒展開(kāi)后剩余的高階項(xiàng)；
[0018] 貝IJ系統(tǒng)⑶轉(zhuǎn)化為仿射非線性系統(tǒng)模型：
[0019]
(5)
[0020] 由于g (XdX2A)有界且連續(xù)可導(dǎo)，其導(dǎo)數(shù)辦?2.仍有界，設(shè)g (XuXdU)的2范數(shù) 的上界為：gu，則：
[0021]
(6)
[0022] 其中，M · I I表示2范數(shù)，L為設(shè)計(jì)的正數(shù)，則：
[0023]
[0024]
[0025]
[0026] 即：一階泰勒展開(kāi)后的剩余高階項(xiàng)Δ滿足局部Lipschitz條件，系統(tǒng)模型（2)與 模型（8)近似，誤差滿足局部Lipschitz條件，且誤差與泰勒展開(kāi)點(diǎn)υ有關(guān)；通過(guò)虛擬信號(hào) υ的生成表達(dá)式（4)可知，誤差與系數(shù)矩陣k"有關(guān)；
[0027]
[0028] 3)將速度信息作為虛擬控制量，設(shè)計(jì)控制器；
[0029] 設(shè)控制指令為：Xld，定義跟蹤誤差為：Xle= X1-Xld，其導(dǎo)數(shù)為：本^ 為H將X 2 作為虛擬控制量，設(shè)計(jì)控制器為：
，h為設(shè)計(jì)的正定矩陣；
[0030] 設(shè)計(jì)新的狀態(tài)變量X2d，并令+ X2(/ = X2t., & (0> = :，其中，ε為正數(shù)；
[0033] 4)將設(shè)計(jì)虛擬控制量作為控制指令，設(shè)計(jì)速度/角速度控制器；[0034] 速度項(xiàng)跟蹤誤差為：
[0031]
[0032]
[0035]
[0036] 則，控制器為：
[0037]
[0038] 其中，kjP P均為設(shè)計(jì)的正定矩陣，i/為估計(jì)的自適應(yīng)補(bǔ)償項(xiàng)，其自適應(yīng)律為：
[0039]
(1^-)
[0040] a和ε入為設(shè)計(jì)的正數(shù)；aX 2e · X2e仍為列向量，表征列向量aX 26和X 2e的對(duì)應(yīng)項(xiàng)相 乘；
[0041] 5)在控制器中加入抗飽和模塊，抑制系繩連接點(diǎn)移動(dòng)受限帶來(lái)的影響；
[0042] 設(shè)經(jīng)過(guò)限幅環(huán)節(jié)后的控制輸入為Ug，令Δ U = Ug_U。;設(shè)計(jì)虛擬變量ξ，其導(dǎo)數(shù)為：
[0043]
[0044] 其中，ξ為設(shè)計(jì)的小正數(shù)，Κξ為設(shè)計(jì)的正定矩陣；
[0045] 則，將控制器修正為：
[0047] 貝丨J，X2#導(dǎo)數(shù)可表示為：
[0048]
[0049] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于：
[0050] 所述步驟1)中，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的具體方法如下：
[0051 ] 以EXYZ為地心慣性系，OXpYpZp為平臺(tái)軌道系，OX PYP平面為軌道平面，0 TXTYTZT為系 繩坐標(biāo)系，ObXbYbZb為操作機(jī)構(gòu)本體坐標(biāo)系，忽略系統(tǒng)面外運(yùn)動(dòng)，即假設(shè)EZ軸、OZ Ρ軸、0 ΤΖΤ軸 以及ObZb軸相互平行，EXY，OX PYP，OtXtYt以及0 bXbYb共面；設(shè)坐標(biāo)系0 ΤΧΤΥΤΖΤ與坐標(biāo)系OX ΡΥΡΖΡ 夾角為α，坐標(biāo)系ObXbYbZb與坐標(biāo)系OX pYpZp夾角為Φ，軌道角速度為ω，系繩長(zhǎng)度為1，抓 捕機(jī)構(gòu)質(zhì)量為m，繞O bZb軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為I ζ，系繩連接點(diǎn)在ObXbYbZb的坐標(biāo)為[d x，dy，0];
[0052] 假設(shè)：
[0053] i :平臺(tái)運(yùn)行于圓軌道，質(zhì)量遠(yuǎn)大于抓捕機(jī)構(gòu)，忽略系繩拉力對(duì)平臺(tái)的干擾；
[0054] ii :忽略系繩質(zhì)量和彈性，利用拉格朗日法建立空間繩系機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型 為：
[0055] .(1:)
[0056] ,
[0057] CN 105159309 A m ~P 4/8 頁(yè)
[0058] 式中，Q1為系繩拉力，Q α為作用于系繩的非保守力力矩，由操作機(jī)構(gòu)的推力器提 供，QiS作用于組合體的非保守力矩，由操作機(jī)構(gòu)的姿態(tài)控制推力器提供；
[0059] 在協(xié)調(diào)控制中，利用Q1, Qa，Qi分別控制系統(tǒng)狀態(tài)1，α，φ ;系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型為：
[0060]
[0061] 其中，τρ= [Q1 Qa/1 0]τ，系統(tǒng)屬于典型的非仿射非線性模型。
[0062] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：
[0063] 本發(fā)明利用偏置系繩點(diǎn)的移動(dòng)，控制抓捕機(jī)構(gòu)姿態(tài)，大大節(jié)省了操作任務(wù)過(guò)程中 抓捕機(jī)構(gòu)的燃料消耗。另外，本發(fā)明利用一階泰勒展開(kāi)的方式將非仿射非線性系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為 仿射非線性系統(tǒng)并證明其相似性及誤差滿足Lipschitz條件，并在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì) 自適應(yīng)補(bǔ)償項(xiàng)補(bǔ)償模型誤差，簡(jiǎn)單且實(shí)用性強(qiáng)。 【【附圖說(shuō)明】】
[0064] 圖1為本發(fā)明的原理圖。
[0065] 其中：1為空間平臺(tái)；2為空間系繩；3為抓捕機(jī)構(gòu)。 【【具體實(shí)施方式】】
[0066] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述：
[0067] 如圖1所示，本發(fā)明包括以下步驟：
[0068] 第一步，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型：
[0069] EXYZ為地心慣性系，OXpYpZp為平臺(tái)軌道系，OX ΡΥΡ平面為軌道平面，0 ΤΧΤΥΤΖΤ為系繩 坐標(biāo)系，O bXbYbZb為操作機(jī)構(gòu)本體坐標(biāo)系。忽略系統(tǒng)面外運(yùn)動(dòng)，即假設(shè)EZ軸、OZ Ρ軸、0 ΤΖΤ軸、 ObZb軸相互平行，EXY，OX PYP，0TXTYT，O bXbYb共面。上述四個(gè)坐標(biāo)系可通過(guò)一次旋轉(zhuǎn)獲得。設(shè) 坐標(biāo)系O tXtYtZt與坐標(biāo)系OX ΡΥΡΖΡ夾角為a，坐標(biāo)系〇 JbYbZb與坐標(biāo)系OX ΡΥΡΖΡ夾角為Φ，軌 道角速度為ω，空間系繩2的長(zhǎng)度為1，抓捕機(jī)構(gòu)3質(zhì)量為m，繞O bZb軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為I ζ，系 繩連接點(diǎn)在ObXbYbZ^坐標(biāo)為[d x，dy，0]。
[0070] 假設(shè)①空間平臺(tái)1運(yùn)行于圓軌道，質(zhì)量遠(yuǎn)大于抓捕機(jī)構(gòu)3,系繩拉力對(duì)平臺(tái)干擾可 忽略；②忽略了系繩質(zhì)量和彈性。利用拉格朗日法建立空間繩系機(jī)器人的動(dòng)