一种利用偏置系绳的空间飞行器姿态稳定控制方法
【专利说明】一种利用偏置系绳的空间飞行器姿态稳定控制方法 【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种空间飞行器利用偏置系绳的姿态稳定控制方法，属于空间飞行器 在轨服务领域。 【【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，可以广泛应用于太空垃圾清理、失效卫星救助、静止轨道站位再生等操作。空间 绳系机器人有空间平台、空间系绳、抓捕机构三部分组成。由于抓捕机构的位置与任务的成 败密切相关，目前的空间绳系机器人的飞行控制研究多集中在抓捕机构的飞行控制上。而 空间系绳的存在使得抓捕机构的飞行控制变得十分困难。
[0003] 在传统的空间飞行器飞行控制中，空间系绳的张力被视为干扰，通过抓捕机构携 带推力器和动量轮等进行抑制。近年来，黄攀峰、孟中杰等人提出了一种变干扰为控制力的 系绳、推力器协调控制思路，但是仅利用系绳拉力进行抓捕机构的减速，进而实现与推力器 协同实现轨道控制。假设系绳与抓捕机构的连接点与抓捕机构的质心不重合，系绳产生的 张力矩可以稳定抓捕机构与系绳方向垂直的两个方向（一般称为俯仰通道、偏航通道）的 姿态，另外一个方向（滚转通道）的姿态需要引入动量轮。但是，系绳张力一般被用来与 推力器联合进行轨道控制，要利用张力矩控制姿态，必须利用可变的系绳连接点位置信息。 Nohmi M教授等人针对此问题，提出一种偏置系绳连接杆的方式，并利用PID控制设计控制 系统，但是未考虑轨道的干扰、控制器稳定等问题。文浩、金栋平等人基于偏置系绳连接杆， 利用伪谱法，提出一种开环优化和闭环跟踪的控制方法，其核心在于开环优化，在闭环跟踪 方面，采用线性化模型的最优控制或回退时域控制。王东科等人提出了一种利用多系绳结 构改变系绳连接点的方法，但对姿态/轨道耦合控制问题未深入研究。
[0004] 因此，综合姿态/轨道耦合问题，需要设计一种利用偏置系绳的空间绳系机器人 飞行控制系统，充分利用系绳张力、实现轨道控制；充分利用系绳张力矩，实现姿态稳定。 【
【发明内容】
】
[0005] 本发明的目的在于提出一种利用偏置系绳的空间飞行器姿态稳定控制方法。该控 制方法通过移动系绳与飞行器的连接点，充分利用系绳张力矩，实现系绳张力的充分利用。
[0006] 为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
[0007] -种利用偏置系绳的空间飞行器姿态稳定控制方法，包括以下步骤：
[0008] 1)建立系统动力学模型；
[0009] 2)将非仿射非线性系统模型转化为仿射非线性系统模型；
[0010] 选择系统状态X = [x1;x2]，其中，
；系统 输入为：u = [Q1 Qa/1 dx]T，则系统模型⑵写为： UiN 丄 Λ J ^ 厶/ O X
[0011]
[0012] 设计虚拟信号υ :
[0013]
(4)
[0014] 1为设计的3X3的正定矩阵；
[0015]
[0016]
[0017] 其中，
^ Δ为一阶泰勒展开后剩余的高阶项；
[0018] 贝IJ系统⑶转化为仿射非线性系统模型：
[0019]
(5)
[0020] 由于g (XdX2A)有界且连续可导，其导数辦?2.仍有界，设g (XuXdU)的2范数 的上界为：gu，则：
[0021]
(6)
[0022] 其中，M · I I表示2范数，L为设计的正数，则：
[0023]
[0024]
[0025]
[0026] 即：一阶泰勒展开后的剩余高阶项Δ满足局部Lipschitz条件，系统模型（2)与 模型（8)近似，误差满足局部Lipschitz条件，且误差与泰勒展开点υ有关；通过虚拟信号 υ的生成表达式（4)可知，误差与系数矩阵k"有关；
[0027]
[0028] 3)将速度信息作为虚拟控制量，设计控制器；
[0029] 设控制指令为：Xld，定义跟踪误差为：Xle= X1-Xld，其导数为：本^ 為H将X 2 作为虚拟控制量，设计控制器为：
，h为设计的正定矩阵；
[0030] 设计新的状态变量X2d，并令+ X2(/ = X2t., & (0> = :，其中，ε为正数；
[0033] 4)将设计虚拟控制量作为控制指令，设计速度/角速度控制器；[0034] 速度项跟踪误差为：
[0031]
[0032]
[0035]
[0036] 则，控制器为：
[0037]
[0038] 其中，kjP P均为设计的正定矩阵，i/为估计的自适应补偿项，其自适应律为：
[0039]
(1^-)
[0040] a和ε入为设计的正数；aX 2e · X2e仍为列向量，表征列向量aX 26和X 2e的对应项相 乘；
[0041] 5)在控制器中加入抗饱和模块，抑制系绳连接点移动受限带来的影响；
[0042] 设经过限幅环节后的控制输入为Ug，令Δ U = Ug_U。;设计虚拟变量ξ，其导数为：
[0043]
[0044] 其中，ξ为设计的小正数，Κξ为设计的正定矩阵；
[0045] 则，将控制器修正为：
[0047] 贝丨J，X2#导数可表示为：
[0048]
[0049] 本发明进一步的改进在于：
[0050] 所述步骤1)中，建立系统动力学模型的具体方法如下：
[0051 ] 以EXYZ为地心惯性系，OXpYpZp为平台轨道系，OX PYP平面为轨道平面，0 TXTYTZT为系 绳坐标系，ObXbYbZb为操作机构本体坐标系，忽略系统面外运动，即假设EZ轴、OZ Ρ轴、0 ΤΖΤ轴 以及ObZb轴相互平行，EXY，OX PYP，OtXtYt以及0 bXbYb共面；设坐标系0 ΤΧΤΥΤΖΤ与坐标系OX ΡΥΡΖΡ 夹角为α，坐标系ObXbYbZb与坐标系OX pYpZp夹角为Φ，轨道角速度为ω，系绳长度为1，抓 捕机构质量为m，绕O bZb轴的转动惯量为I ζ，系绳连接点在ObXbYbZb的坐标为[d x，dy，0];
[0052] 假设：
[0053] i :平台运行于圆轨道，质量远大于抓捕机构，忽略系绳拉力对平台的干扰；
[0054] ii :忽略系绳质量和弹性，利用拉格朗日法建立空间绳系机器人的动力学模型 为：
[0055] .(1:)
[0056] ,
[0057] CN 105159309 A m ~P 4/8 页
[0058] 式中，Q1为系绳拉力，Q α为作用于系绳的非保守力力矩，由操作机构的推力器提 供，QiS作用于组合体的非保守力矩，由操作机构的姿态控制推力器提供；
[0059] 在协调控制中，利用Q1, Qa，Qi分别控制系统状态1，α，φ ;系统动力学模型为：
[0060]
[0061] 其中，τρ= [Q1 Qa/1 0]τ，系统属于典型的非仿射非线性模型。
[0062] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0063] 本发明利用偏置系绳点的移动，控制抓捕机构姿态，大大节省了操作任务过程中 抓捕机构的燃料消耗。另外，本发明利用一阶泰勒展开的方式将非仿射非线性系统转化为 仿射非线性系统并证明其相似性及误差满足Lipschitz条件，并在控制系统设计时，设计 自适应补偿项补偿模型误差，简单且实用性强。 【【附图说明】】
[0064] 图1为本发明的原理图。
[0065] 其中：1为空间平台；2为空间系绳；3为抓捕机构。 【【具体实施方式】】
[0066] 下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
[0067] 如图1所示，本发明包括以下步骤：
[0068] 第一步，建立系统动力学模型：
[0069] EXYZ为地心惯性系，OXpYpZp为平台轨道系，OX ΡΥΡ平面为轨道平面，0 ΤΧΤΥΤΖΤ为系绳 坐标系，O bXbYbZb为操作机构本体坐标系。忽略系统面外运动，即假设EZ轴、OZ Ρ轴、0 ΤΖΤ轴、 ObZb轴相互平行，EXY，OX PYP，0TXTYT，O bXbYb共面。上述四个坐标系可通过一次旋转获得。设 坐标系O tXtYtZt与坐标系OX ΡΥΡΖΡ夹角为a，坐标系〇 JbYbZb与坐标系OX ΡΥΡΖΡ夹角为Φ，轨 道角速度为ω，空间系绳2的长度为1，抓捕机构3质量为m，绕O bZb轴的转动惯量为I ζ，系 绳连接点在ObXbYbZ^坐标为[d x，dy，0]。
[0070] 假设①空间平台1运行于圆轨道，质量远大于抓捕机构3,系绳拉力对平台干扰可 忽略；②忽略了系绳质量和弹性。利用拉格朗日法建立空间绳系机器人的动