一种空间绳系机械臂目标抓捕后复合体姿态稳定控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种空间绳系机械臂目标抓捕后复合体姿态稳定控制方法，首先设计空间绳系机械臂目标抓捕后复合体的姿态控制器，计算出复合体期望的姿态控制力矩，然后通过空间绳系机械臂自身推力器、机械臂构型和系绳拉力实现期望的姿态力矩。本发明考虑利用空间绳系机械臂臂形变化，结合空间系绳的拉力和空间绳系机器人自身的推力器推力实现空间绳系机器人的姿态稳定控制，机械臂的臂形变化大幅度提升了系绳拉力的使用范围，能够有效实现空间绳系机器人抓捕后复合体的姿态稳定控制。
【专利说明】一种空间绳系机械臂目标抓捕后复合体姿态稳定控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于航天器控制技术研究领域，具体涉及一种空间绳系机械臂目标抓捕后 复合体姿态稳定控制方法。
【背景技术】
[0002] 空间绳系机器人由于其灵活、安全、燃料消耗低等特点，在空间在轨服务中有着广 泛的作用，可以进行失效卫星救助、太空垃圾清理、辅助变轨等操作。空间绳系机械臂为空 间绳系机器人的一种，其具有较大的工作空间和灵巧的操作性能。
[0003] 根据空间绳系机械臂的任务流程，可以分为释放、逼近目标、目标抓捕、目标抓捕 后稳定和目标捕获后操作五个阶段，其中抓捕后的复合体姿态控制是空间绳系机械臂的主 要研究之一。空间绳系机械臂对目标抓捕后，由于碰撞和目标本身的自旋，导致抓捕后复合 体的姿态不稳定，不施加控制甚至会发生系绳缠绕，系绳的拉力对平台本身的巨大干扰，因 此，需要对抓捕后复合体的姿态进行控制。由于空间绳系机械臂自身的控制力矩较小，且燃 料有限，使得仅仅使用空间绳系机械臂自身推力器是很难实现抓捕后复合体的姿态稳定， 因此有必要利用系绳和推力器协调对复合体姿态进行控制。抓捕后的复合体姿态控制直接 影响着任务的成败，它成为空间绳系机器人领域的研究重点。
[0004] 申请号为：201310018221. 7的中国专利提出了一种空间绳系机器人抓捕后复合 体控制方法，利用推力器和系绳实现复合体的稳定控制，其利用系绳拉力提供控制力矩时， 其力臂被动不可改变，大大限制了系绳拉力的使用。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种可以广泛应用于空间绳系机械臂目标抓捕后复合体 姿态稳定控制中的空间绳系机械臂目标抓捕后复合体姿态稳定控制方法，该控制方法可以 降低对推力器推力要求，减少燃料消耗，有效实现空间绳系机械臂抓捕后复合体的姿态稳 定控制。
[0006] 为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案包括以下步骤：
[0007] 1)建立空间绳系机械臂目标抓捕后复合体动力学方程；
[0008] 2)计算出复合体期望的姿态控制力矩u ;
[0009] 3)姿态控制力矩的协调分配；
[0010] 4)姿态控制力矩的实现。
[0011] 所述的步骤1)中，空间绳系机械臂目标抓捕后复合体动力学方程为：
[0012]
【权利要求】
1. 一种空间绳系机械臂目标抓捕后复合体姿态稳定控制方法，其特征在于，包括以下 步骤： 1) 建立空间绳系机械臂目标抓捕后复合体动力学方程； 2) 计算出复合体期望的姿态控制力矩u ; 3) 姿态控制力矩的协调分配； 4) 姿态控制力矩的实现。
2. 根据权利要求1所述的空间绳系机械臂目标抓捕后复合体姿态稳定控制方法，其特 征在于：所述的步骤1)中，空间绳系机械臂目标抓捕后复合体动力学方程为：
其中，氣=U为目标的加速度，t和為:分别为目标的线加速度和角加速度，％和 为目标的线速度和角速度；
^为操作机械臂关节角加速度向量，表示操 作机械臂与目标之间的关节旋转角，θ2，…，θη分别表示操作机械臂的关节角，n为 机械臂关节数；
，其中Μ为复合体的质量总和，Ε为单位矩 阵，r%为目标质心到复合体质心向量，< 为r(lg的斜矩阵形式，</为< 的转置矩阵， K ，mi为第i个关节的质量，rQi为目标质心到第i个机械臂质心向量， Μ C为的斜矩阵形式，C为 < 的转置矩阵，L为目标转动惯量，L Q = 1，2,. . .，η)为各 关节的转动惯量；
，
，其中，
，:^为第i个机械臂质心向量，ρη为第i个关节向量； cb e R6X1、c。e R2X1分别为目标运动和操作机械臂运动相关的非线性力，包括向心力和哥 <为目标所受的力和力矩；τ。e RnX1为作用在操作机械臂关节处的驱动 4为作用在机械臂末端的力和力矩；其中f； fthruster+ftether? fthruster 为基 体的推力器产生的推力，ftrthOT为系绳拉力：τ e为机械臂末端受到的推力控制力矩； 利用修正罗德里格斯参数建立复合体姿态动力学方程：* = ，其中〇 〇 i 〇 2 〇 3]T e R3为罗德里格斯参数表示的复合体姿态，
σ x为斜 矩阵，I为3X3单位矩阵。
3. 根据权利要求1所述的空间绳系机械臂目标抓捕后复合体姿态稳定控制方法，其特 征在于：所述的步骤2)中，复合体期望的姿态控制力矩u的具体计算方法为： 根据u( σ e，t，i) = _Hbu [Kp(l+。。e) σ e+Kdco J计算得到复合体期望的姿态控制力 矩，其中，为目标的姿态角误差，Kp为比例系数矩阵，Kd为微分系数矩 阵。
4. 根据权利要求1所述的空间绳系机械臂目标抓捕后复合体姿态稳定控制方法，其特 征在于：所述的步骤3)中，协调分配姿态控制力矩的具体方法是： 对每时刻进行空间绳系机械臂进行臂形规划，利用优化算法设计出一组期望的关节角 ? d及系绳拉力T，结合空间绳系机械臂自身推力，最大程度实现期望的控制力矩u ; 目标函数为：
其中，= (/C + wh"u./:为第t时刻关节角〇、系绳拉力τ和空间绳系机 械臂推力器的推力τΜ?1产生的姿态协调控制力矩，?i(t)为第t时刻第i个机械臂的关 节角，? i (t-i)为第t-Ι时刻第i个机械臂的关节角，&和k2分别为权重系数。
5. 根据权利要求1所述的空间绳系机械臂目标抓捕后复合体姿态稳定控制方法，其特 征在于：所述的步骤4)中，实现姿态控制力矩的具体方法是： 通过驱动空间绳系机械臂跟踪规划出的关节角，加上空间绳系机械臂本体的推力机构 和系绳拉力，联合实现抓捕后复合体的姿态控制。
6. 根据权利要求5所述的空间绳系机械臂目标抓捕后复合体姿态稳定控制方法，其特 征在于：空间绳系机械臂关节角控制器为r = If W冷，./'F, _ 其中B为对 角正定矩阵，Δ參》論-?为关节角速度误差，巍为期望关节角，#为实际关节角；4为期 望关节角加速度。
7. 根据权利要求6所述的空间绳系机械臂目标抓捕后复合体姿态稳定控制方法，其特 征在于：空间绳系机械臂本体的推力机构直接驱动推力器产生所需的控制力矩，空间系绳 产生相应的系绳拉力，实现复合体姿态的稳定控制。
【文档编号】G05D1/08GK104142687SQ201410341562
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年7月17日 优先权日:2014年7月17日
【发明者】黄攀峰, 王东科, 周科伟, 孟中杰, 刘正雄, 蔡佳 申请人:西北工业大学