面向空间绳系机器人的目标逼近过程鲁棒规划控制方法
【专利说明】面向空间绳系机器人的目标逼近过程鲁棒规划控制方法 【技术领域】
[0001] 本发明隶属于航天器控制技术研究领域，涉及到一种空间绳系机械臂抓捕目标逼 近控制方法，该控制方法可以广泛应用于空间绳系机械臂目标抓捕控制中。 【【背景技术】】
[0002] 空间绳系机器人在失控卫星捕获，太空垃圾清理，辅助变轨，在轨维修，在轨组装， 等方面可以发挥独特的优势。对目标的逼近过程的控制作为其关键技术是对目标实现成功 抓捕的关键。
[0003] 空间绳系机械人对目标逼近控制需考虑逼近过程中的轨道控制以及姿态稳定，对 于空间绳系机械人，系绳可以为控制任务提供控制力和控制力矩，因而系绳的参与可以在 一定程度上减轻推力器的任务压力，有助于节省空间机械人的能源消耗。而采用系绳和推 力器协调对空间机械人轨道进行控制时，主要存在如下几个问题：首先是系绳张力容易对 空间机械人带来力矩，进而对姿态的稳定带来干扰。而若采用姿态控制装置对该干扰进行 补偿，无疑会带来新的能源消耗。因而对于以能源消耗最小为重要指标的逼近任务，故仅考 虑逼近过程轨道控制中推力器的能源消耗，而不将其带来的额外姿态稳定控制能源消耗考 虑在内是不合理的。其次，由于需要达到一定范围的接触条件才能保证捕获成功，因此在 对目标的逼近过程中的任何轨道偏差都有可能使最后的条件不能满足该接触条件，进而导 致抓捕失败甚至碰撞。而导致轨道偏差的因素主要有：模型偏差，轨道摄动，导航偏差，系 绳张力矢量偏差，推进器矢量偏差，和推进器故障。由于抓捕任务持续时间较短，且只考虑 抓捕机器人与目标航天器的相对运动，因而轨道摄动对该任务的影响十分有限可以忽略不 计。推进器故障属于硬件故障，将对该任务产生很大影响，但任务期间硬件故障的发生是偶 然性事件，不带有必然性，因而不在本文考虑范围。导航偏差主要包括位置，线速度，姿态， 角速度等的测量偏差，主要原因是敏感器的安装误差以及测量性能的局限性。系绳张力矢 量偏差主要包括张力大小以及方向的偏差，张力持续时间偏差，主要原因是系绳释放机构 的不敏感性以及系绳矢量方向测量或计算偏差。推进器矢量偏差主要包括推力大小以及方 向的偏差，推力持续时间偏差，空间机械臂质量偏差。以上这些不确定因素和偏差对任务的 影响是巨大的，充分考虑这些因素进行对于抓捕任务的成功执行具有很大意义。因而有必 要对绳系机器人逼近轨迹规划提出一种考虑不确定性的规划方法来降低任务对这些不确 定性的敏感性，并提高方案的可靠性。 【
【发明内容】
】
[0004] 提出一种绳系机器人可移动系绳点的控制方法，通过对系绳点的空间位置进行控 制大幅度降低甚至消除系绳张力对空间绳系机器人的力矩，进而降低甚至消除了系绳张力 对绳系机器人产生的姿态干扰。此时仅需考虑逼近过程轨道控制中推力器的能源消耗最小 就可以得到能源消耗最小的逼近任务执行方案。提出一种考虑不确定性的绳系机器人逼近 目标规划方法，采用推力器和系绳对绳系机器人进行控制，考虑导航偏差，系绳张力矢量偏 差，推进器矢量偏差等不确定因素，建立绳系机器人逼近目标不确定规划模型，并采用粒子 群优化算法进行求解，得到带有鲁棒性的空间绳系机器人控制方案。
[0005] 为达到上述目的，本发明所采用的技术方案包括以下步骤：
[0006] 1)空间绳系机械人可移动系绳点控制
[0007] 在空间绳系机器人的后端面设置有a、b、c、d为四个系绳收放口，通过内部系绳控 制电机对系绳长度进行控制，四条系绳l a、lb、1。、^连接于空间中点t，并且该点与平台连 接的系绳相连，绳系机器人质心O b在后端面的投影为〇' b;在逼近过程中，通过对I a、lb、1。、 Id四条系绳的长度调整，控制t点在空间中的位置；平台位于点P ;
[0008] 使〇b，t, P三点共线，即：％ =义好;建立优化目标函数：
[0009]
[0010] s. t.
[0011]
[0012] 采用优化算法进行求解得到λ = λ%则则四个系绳收放口 a、b、c、d 据此对系绳长度进行调整，其中收放口 a释放/收回系绢
释放，
为收回），其他三个系绳收放口与收放口 a相同；
[0013] 2)建立空间绳系机械人相对目标运动不确定动力学模型
[0014] 当目标和绳系机器人运行在近圆轨道时，通过C-W方程描述二者的相对运动，其 状态空间模型为：
[0015]
[0016] 为推力器提供的速度脉冲
为与系绳拉力等效的速度脉冲，T 为控制周期；
[0017]
[0018] 设任务要求在NT时间内完成，则将其离散为N个时间区间，则该离散系统的离散 形式为：
[0019]
[0020]
[0021] 根据末端约束条件：
[0022]
[0023]
[0024] 推力器推力在大小和方向上存在偏差：
[0025]
[0026]
[0027] 系绳张力矢量在大小和方向上存在偏差：
[0028]
[0029]
[0030] 则进一步得到末端约束条件：
[0031]
[0032]
[0033] 则空间绳系机械人相对目标运动不确定动力学模型为：
[0034]
[0035]
[0036]
[0037]
[0038]
[0039]
[0040] CN 105159315 A VL 4/6 贝
[0041]
[0042] 3)模型求解
[0043] 采用优化算法对步骤2)得到的空间绳系机械人相对目标运动不确定动力学模型 进行求解，得到满足条件的控制向量AV以及Δ，。
[0044] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0045] 本发明首先设计空间绳系机械人可移动系绳点控制方法，计算出期望系绳点空间 位置，然后通过系绳控制机构对系绳进行回收或释放使得系绳点达到期望位置，从而实现 在系绳参与绳系机器人轨道控制情况下，消除系绳对姿态的干扰，保证姿态的稳定，避免需 要额外控制姿态带来的能量消耗。其次考虑了绳系机器人轨道控制阶段自身敏感器，系绳 机构以及推力器等具有的不确定性因素，建立了绳系机器人对目标逼近的鲁棒规划模型， 使得规划出的逼近方案对这些不确定因素的敏感性大大降低，并且大大提高了逼近方案的 可靠性。 【【附图说明】】
[0046] 图1系绳控制机构的示意图
[0047] 其中，Ob为绳系机器人质心，0'，为Ob在后端面的投影，P为平台，t为可移动系绳 点，a、b、c、d为四个系绳收放口。 【【具体实施方式】】
[0048] 下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
[0049] 参见图1，本发明包括以下步骤：
[0050] 首先，空间绳系机械人可移动系绳点控制：
[0051] 确定平台在空间绳系机器人本体坐标系下的位置P，则?if代表系绳矢量。确定绳 系机器人质心Ob在后端面的投影为0' b，当前系绳控制机构绳长为la、lb、1。、Id。并且分别 确定矢量〇"，0决:，A-c..，： 〇;,魏。
[0052] 则问题转化为优化问题：
[0053]
[0054] s. t.
[0055]
[0056] 采用优化算法可以轻易求解得到λ = \%则$ =，戌7,则四个系绳收放口 a、 b、c、d可以据此对系绳长度进行调整，其中收放口 a释放/收回系绳p|_p| (其中当 7卜戶|>&时为释放，当卟Pi<0为收回）。其他三个系绳收放口同理故不再赘述。
[0057] 然后，建立空间绳系机械人相对目标运动不确定动力学模型
[0058] 根据执行机构的特性确定参数β ^ β 2, λ k，μ k，Flniax,
[0059] 确定相对运动离散化线性方程：
[0060] X(k) = AX(k-l)+BUk !
[0061] K时刻系统的状态为：
[0062]
[0063] 则可以确定末端约束为：
[0064]
[0065]
[0066] 将系统各项不确定性考虑在内则该末端约束可以转化为：
[0067]
[0068] 则问题转化为：
[0069]
[0070]
[0071]
[0072]
[0073]
[0074]
[0075] 利用粒子群算法对上述目标函数进行优化，步骤为：
[0076] (1)初始化，产生M个粒子，每个粒子6*N维，分别对应推力器控制量和系绳控制 量。
[0077] (2)计算目标函数，以当前粒子中目标函数最小者为全局最优粒子，以 当前粒子为个体最优粒子。
[0078] (3)按照粒子更新公式对种群中粒子进行更新，产生新一代粒子；
[0079] (4)对新一代的种群按照目标函数./(Δν.ΔΑ进行评价。更新全局最优粒子和个体 最优粒子。
[0080] (5)达到最大迭代次数，输出全局最优粒子，算法结束。
[0081] 以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按 照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书 的保护范围之内。
【主权项】
1.面向空间绳系机器人的目标逼近过程鲁棒规划控制方法，其特征在于，包括以下步 骤： 1) 空间绳系机械人可移动系绳点控制 在空间绳系机器人的后端面设置有a、b、c、d为四个系绳收放口，通过内部系绳控制电 机对系绳长度进行控制，四条系绳la、lb、1。、^连接于空间中点t，并且该点与平台连接的 系绳相连，绳系机器人质心Ob在后端面的投影为0' b;在逼近过程中，通过对I a、lb、1。、^四 条系绳的长度调整，控制t点在空间中的位置；平台位于点P ; 使0b，t，P三点共线，即：刃=从及;建立优化目标函数：采用优化算法进行求解得到λ= λ%则^7 = '戌7>，则四个系绳收放口 a、b、c、d据此 对系绳长度进行调整，其中收放口 a释放/收回系绳卜_I_p|| (其中当卟卟。时为释放， 当p|<〇为收回），其他三个系绳收放口与收放口 a相同； 2) 建立空间绳系机械人相对目标运动不确定动力学模型 当目标和绳系机器人运行在近圆轨道时，通过C-W方程描述二者的相对运动，其状态 空间模型为：为推力 器提供的速度脉冲：为与系绳拉力等效的速度脉冲，T为控制 周期；设任务要求在NT时间内完成，则将其离散为N个时间区间，则该离散系统的离散形式 为： X(k) =AX (k-1)+BUkl CN 10blb931b A ?丨入 ^ u 2/3 贝根据末端约束条件：推力器推力在大小和方向上存在偏差：系绳张力矢量在大小和方向上存在偏差：则进一步得到末端约束条件：其中 y = |/^ΦΜ^Δ?φ ? = \ΗτΦΒΜ]; 则空间绳系机械人相对目标运动不确定动力学模型为：3)模型求解 采用优化算法对步骤2)得到的空间绳系机械人相对目标运动不确定动力学模型进行 求解，得到满足条件的控制向量AV以及
【专利摘要】本发明公开了一种面向空间绳系机器人的目标逼近过程鲁棒规划控制方法，首先设计空间绳系机械人可移动系绳点控制方法，计算出期望系绳点空间位置，然后通过系绳控制机构对系绳进行回收或释放使得系绳点达到期望位置，从而实现在系绳参与绳系机器人轨道控制情况下，消除系绳对姿态的干扰，保证姿态的稳定，避免需要额外控制姿态带来的能量消耗。其次考虑了绳系机器人轨道控制阶段自身敏感器，系绳机构以及推力器等具有的不确定性因素，建立了绳系机器人对目标逼近的鲁棒规划模型，使得规划出的逼近方案对这些不确定因素的敏感性大大降低，并且大大提高了逼近方案的可靠性。
【IPC分类】G05D1/10
【公开号】CN105159315
【申请号】CN201510551771
【发明人】黄攀峰, 胡永新, 孟中杰, 刘正雄, 王东科
【申请人】西北工业大学
【公开日】2015年12月16日
【申请日】2015年9月1日