一种空间绳系机器人目标抓捕稳定控制方法

文档序号:9431582阅读:353来源:国知局
一种空间绳系机器人目标抓捕稳定控制方法
【专利说明】-种空间绳系机器人目标抓捕稳定控制方法 【技术领域】
[0001] 本发明属于航天器控制技术研究领域,具体设及一种空间绳系机器人目标抓捕稳 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W进行失效卫星救助、太空垃圾清理、辅助变轨等操作。
[0003] 根据空间绳系机器人的任务流程,可W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,其中目标抓捕稳定控制是空间绳系机器人的主要研究 之一。空间绳系机器人逼近至目标抓捕位置附近,需要合犹操作手爪对目标进行抓捕,运是 空间绳系机器人的核屯、任务之一。目标抓捕过程中,由于操作手爪合犹速度、与目标之间的 相对线速度和相对角速度等因素,可能导致整个抓捕过程由于碰撞而变得不稳定,甚至会 导致待抓捕目标出操作手爪抓捕包络,导致抓捕任务失败。此外,由于待抓捕目标自身的可 能自旋,会导致整个抓捕过程更加困难。因此,设计合适的目标抓捕稳定控制方法,保证空 间绳系机器人在目标抓捕过程中的稳定控制,是十分有意义的。
[0004] 目标抓捕是空间绳系机器人的核屯、任务之一,目标抓捕过程中的稳定控制直接影 响空间绳系机器人任务的成败,它成为空间绳系机器人领域的研究重点。 【
【发明内容】
】 阳〇化]本发明的目的在于提供一种可W广泛应用于空间绳系机器人目标抓捕稳定控制 方法,该控制方法可实现目标抓捕过程中,空间绳系机器人位姿的稳定,实现对目标的成功 抓捕。
[0006] 为达到上述目的,本发明所采用的技术方案包括W下步骤:
[0007] 1)建立空间绳系机器人目标抓捕动力学方程;
[000引 2)计算出空间绳系机器人期望位姿的修正量e;
[0009] 3)估计空间绳系机器人系统模型不确定性身;
[0010] 4)计算空间绳系机器人稳定控制力和控制力矩Q。
[0011] 本发明进一步的改进在于
[0012] 所述步骤1)中,空间绳系机器人目标抓捕动力学方程为:
[0013]
[0014] 其中,
,1为空间系绳长度;曰为空间系绳面内角;P 为空间系绳面外角;巧、0和为空间绳系机器人姿态角;M为系统惯量矩阵;N非线性速 度相关项;G重力相关项;Q为空间绳系机器人控制力与控制力矩;I为空间系绳干扰项。
[0015] 所述步骤2)中,计算出空间绳系机器人期望位姿的修正量e的方法为:
[0016]
[0017] 其中,n为空间绳系机器人与目标的接触碰撞点数量;
[0018]
[0019]S为拉普拉斯算子,Fei是第i个接触碰撞力,通过力传感器测得,Md、Bd和Kd为抓 捕目标部位的惯量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵。
[0020] 所述步骤3)中,估计空间绳系机器人系统模型不确定性房的具体方法是:
[0021]
[0022] 其中,0为RBF神经网络输出权值,其更新律为
,Fp为任 意正定矩阵,kp〉0为设计参数
ICd为期望系统状态,A为任意正定 矩阵,〇。为径向基函数输出值。
[0023] 所述步骤4)中,计算空间绳系机器人稳定控制力和控制力矩Q:
[0024]
阳02引其中,K为正定矩阵,M〇、N。和G。分别为系统动力学方程中矩阵M、N和G的名义值,n=Us+nJ'sgn(r)为鲁棒项,sgn(.)为符号函数,雌为RBF神经网络估计误差的 上界,nT为空间系绳干扰上限。
[00%] 与现有技术相比,本发明具有W下有益效果:
[0027] 本发明采用了阻抗控制方法,可减小抓捕过程中的碰撞力带来的影响。通过神经 网络对空间绳系机器人模型不确定性进行估计,可W有效对不确定性带来的影响进行补偿 控制,并且控制过程中超调量更小,收敛时间更短,并且控制精度更高。 【【附图说明】】
[0028] 图1为本发明空间绳系机器人目标抓捕示意图。
[0029] 其中:1-待抓捕目标;2-空间绳系机器人;3-空间系绳;4-空间平台;5-地球。 【【具体实施方式】】
[0030] 下面结合附图对本发明做进一步详细描述:
[0031] 参见图1,本发明包括W下步骤:
[0032] 第一步:建立空间绳系机器人目标抓捕动力学方程:
[0033]
[0034] 其中,《= (/a//梦0rf,1为空间系绳长度,曰为空间系绳面内角,0为 空间系绳面外角,巧、0和为空间绳系机器人姿态角;M为系统惯量矩阵;N非线性速度 相关项;G重力相关项;Q为空间绳系机器人控制力与控制力矩;I为空间系绳干扰项。
[0035] 第二步:计算出空间绳系机器人期望位姿的修正量e
[0036] 空间绳系机器人期望位姿的修正量满足W下关系式:
[0037]
[0038] 其中,i为目标抓捕过程中的接触碰撞点。
[0039] 期望位姿的修正量e可W表示为:
[0040]
[0041] 第S步:估计空间绳系机器人系统模型不确定性多
[0042] 不确定项房利用神经网络可W表示为:
[0043]
[0044] 其中,Op为径向基函数输出值,島为RBF神经网络输出权值,设计的权值侵自适 应更新律为:
[0045]
[0046] 其中,Fp为任意正定矩阵,kp〉0为设计参数。
[0047] RBF神经网络在对空间绳系机器人模型不确定性进行估计时,存在估计误差#。 同时,考虑到系绳干扰X的影响,设计n对估计误差>和系绳干扰X的影响进行抑制,设 计n为:
[0048] n=(ns+nJ?S即(r)
[0049] 其中,sgn( ?)为符号函数,游为RBF神经网络估计误差#的上界,nT为空间系 绳干扰X的上界。
[0050] 第四步:计算空间绳系机器人稳定控制力和控制力矩Q
[0051]
[0052] 其中,Md、N。和G。为名义系统矩阵。
[0053] W上内容仅为说明本发明的技术思想,不能W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. 一种空间绳系机器人目标抓捕稳定控制方法,其特征在于,包括以下步骤: 1) 建立空间绳系机器人目标抓捕动力学方程; 2) 计算出空间绳系机器人期望位姿的修正量e ; 3) 估计空间绳系机器人系统模型不确定性P : 4) 计算空间绳系机器人稳定控制力和控制力矩Q。2. 根据权利要求1所述的空间绳系机器人目标抓捕稳定控制方法,其特征在于,所述 步骤1)中,空间绳系机器人目标抓捕动力学方程为:? 1为空间系绳长度;α为空间系绳面内角;β为空 间系绳面外角;#、Θ和φ为空间绳系机器人姿态角;M为系统惯量矩阵;N非线性速度相 关项;G重力相关项;Q为空间绳系机器人控制力与控制力矩;τ为空间系绳干扰项。3. 根据权利要求1所述的空间绳系机器人目标抓捕稳定控制方法,其特征在于,所述 步骤2)中,计算出空间绳系机器人期望位姿的修正量e的方法为:其中,η为空间绳系机器人与目标的接触碰撞点数量;s为拉普拉斯算子,Fm是第i个接触碰撞力,通过力传感器测得,M d、BjP K ,为抓捕目 标部位的惯量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵。4. 根据权利要求1所述的空间绳系机器人目标抓捕稳定控制方法,其特征在于,所述 步骤3)中,估计空间绳系机器人系统模型不确定性#的具体方法是:其中,&为RBF神经网络输出权值,其更新律为,Fp为任意正 定矩阵,kp>0为设计参数,,Id为期望系统状态,Λ为任意正定矩 阵,Φ P为径向基函数输出值。5. 根据权利要求1所述的空间绳系机器人目标抓捕稳定控制方法,其特征在于,所述 步骤4)中,计算空间绳系机器人稳定控制力和控制力矩Q :其中,K为正定矩阵,Μ。、%和G。分别为系统动力学方程中矩阵M、N和G的名义值,η =U δ+ητ) · Sgn(r)为鲁棒项,sgn( ·)为符号函数,办为RBF神经网络估计误差的上 界,为空间系绳干扰上限。
【专利摘要】本发明公开了一种空间绳系机器人目标抓捕稳定控制方法,包括以下步骤:1)建立空间绳系机器人目标抓捕动力学方程;2)计算出空间绳系机器人期望位姿的修正量e;3)估计空间绳系机器人系统模型不确定性;4)计算空间绳系机器人稳定控制力和控制力矩Q。本发明采用了阻抗控制方法,可减小抓捕过程中的碰撞力带来的影响。通过神经网络对空间绳系机器人模型不确定性进行估计,可以有效对不确定性带来的影响进行补偿控制,并且控制过程中超调量更小,收敛时间更短,并且控制精度更高。
【IPC分类】G05B13/04
【公开号】CN105182748
【申请号】CN201510551518
【发明人】黄攀峰, 胡永新, 孟中杰, 王东科, 刘正雄
【申请人】西北工业大学
【公开日】2015年12月23日
【申请日】2015年9月1日
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