一种空间绳系机器人目标抓捕后复合体稳定控制方法
【专利说明】一种空间绳系机器人目标抓捕后复合体稳定控制方法 【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器人目标抓捕后 复合体稳定控制方法。 【【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。
[0003] 根据空间绳系机器人的任务流程，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，其中目标抓捕后复合体稳定控制是空间绳系机器人的 主要研究之一。
[0004] 空间绳系机器人对目标抓捕后，由于碰撞和目标的自旋，导致抓捕后复合体的姿 态不稳定，不施加控制会发生系绳缠绕等不利情况，系绳拉力对平台本身产生巨大干扰，因 此，需要对抓捕后复合体的姿态进行控制。由于空间机器人自身的控制力矩较有限，抓捕后 复合体进行稳定控制时，会出现推力器输入饱和受限情况，对复合体控制性能会产生较大 的影响。此外，由于放绳机构的限制和安全因素的考虑，系绳的收放速度受到限制，因此，需 要设计合适的控制策略，保证系绳收放速度受限情况下复合体姿态控制的稳定性。
[0005] 目标抓捕后复合体稳定是空间绳系机器人的重要任务之一，目标抓捕后复合体稳 定控制直接影响后续拖曳变轨或者回收操作任务的顺利进行，它成为空间绳系机器人领域 的研究重点。
[0006] 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；申请号为：201410341562. 2的中 国专利提出利用系绳拉力结合空间绳系机械臂的构型变化产生所需的控制力矩，从而实现 复合体的姿态稳定。以上专利均仅仅考虑了复合体姿态的稳定控制，而复合体稳定控制还 需要对位置进行稳定控制，因此一定程度限制了这两种控制方法的使用。 【
【发明内容】
】
[0007] 本发明的目的在于解决上述问题，提供一种空间绳系机器人目标抓捕后复合体稳 定控制方法，该方法可实现目标抓捕后复合体位姿的稳定控制。
[0008] 为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
[0009] -种空间绳系机器人目标抓捕后复合体稳定控制方法，包括以下步骤：
[0010] 1)建立空间绳系机器人目标抓捕后复合体动力学方程；
[0011] 2)计算虚拟控制输入ξ 2。；
[0012] 3)计算得到期望系统状态量
[0013] 4)估计抓捕后复合体模型不确定性木：
[0014] 5)计算抓捕后复合体稳定控制力和控制力矩Q。
[0015] 本发明进一步的改进在于：
[0016] 所述的步骤1)中，空间绳系机器人目标抓捕动力学方程为：
[0018] 其中
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为复合体姿态角；Μ为系统惯量矩阵；Ν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。
[0019] 所述的步骤2)中，根据
计算虚拟控制输入ξ2。，其中&为设计的 正定矩阵；ξ fild，其中ξ，ξ lds ξ i的期望值，4?为|^对时间的导数。
[0020] 所述的步骤3)中，计算出期望系统状态量|2d的方法为：通过一阶滤波
:实现，其中ε >0。
[0021] 所述的步骤4)中，复合体模型不确定性木通过以下方法得到：
其中，a和ε 正数，
投 影算子；η = ξ X，X通过滤波器
f得到；KjP Ρ为正定矩阵。
[0022] 所述的步骤5)中，计算抓捕后复合体稳定控制力和控制力矩Q :
，其中Q为Q。通过饱和环节得到，Μ。 为系统名义惯量矩阵；Ν。名义非线性速度相关项；G。名义重力相关项。
[0023] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0024] 本发明空间绳系机器人目标抓捕后复合体稳定控制方法，从整体上考虑了系绳放 绳速度限制情况下，利用指令滤波方法，进行控制器设计，保证了控制器的稳定性。本发明 设计了自适应律，对复合体不确定性进行估计，并在控制器中进行补偿，提高了控制精度。 本发明通过滤波器对控制输入进行限制，从而提高控制器的稳定性。 【【附图说明】】
[0025] 图1为空间绳系机器人目标抓捕示意图。
[0026] 图中：1.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；6.抓 捕后复合体。 【【具体实施方式】】
[0027] 以下结合附图对本发明进行详细的描述。应当指出的是，所描述的实施例仅旨在 便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
[0028] 参见图1，本发明空间绳系机器人目标抓捕后复合体稳定控制方法，包括以下步 骤：
[0029] 1)建立空间绳系机器人目标抓捕后复合体动力学方程
[0031 ] 其中，系统状态
：其中1、α和β分别为空间系 绳长度、空间系绳面内角和空间系绳面外角，炉、Θ和φ为抓捕后复合体姿态角；
为广义控制力。
[0032] 2)计算虚拟控制输入ξ 2c
取lld为ξ :的期望值，则跟踪误差可以表示为：
[0035] 对ξ le两边求导可以得到：
[0037] 设ξ 2(：为ξ 2的虚拟输入，设计为：
[0039] 其中，&为正定矩阵。
[0040] 3)计算得到期望系统状态量
[0041] 考虑到系绳放绳速度受限，因此，采用指令滤波的方法对系统状态ξ 2进行限制， 具体方法为：
[0043] 其中 ε > 〇·
[0044] 4)估计抓捕后复合体模型不确定性|￡
[0045] ξ 2e误差动力学方程可以表示为：
[0047] 其中
为系统不确定性，其主要由复合体 质量、转动惯量和系绳连接点位置等参数的误差产生。假设系统不确定性受限，存在上限 λυ即I I ρ (ΔΜ。，ΔΝ。，AG) I I彡I I λ」I.设计自适应律对\进行估计，得到其估计值 λ,：
[0049]其中，a和 ε 入为正数；η · η = (η Αι η2η2 n3n3)T;Proj( ·)投影算子；η 为修正跟踪误差，并且满足η = 其中x通过以下一阶滤波器得到：
[0051] 其中，Κ2为正定矩阵。
[0052] 5)计算抓捕后复合体稳定控制力和控制力矩Q
[0053] 根据
得到Q。，然后将Q。输入 饱和环节得到Q，Q为实际的输入控制力和控制力矩；Μ。为系统名义惯量矩阵；Ν。名义非线 性速度相关项；G。名义重力相关项。
[0054] 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. 一种空间绳系机器人目标抓捕后复合体稳定控制方法，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后复合体动力学方程； 2) 计算虚拟控制输入ξ 2。； 3) 计算得到期望系统状态量I2d; 4) 估计抓捕后复合体模型不确定性i,; 5) 计算抓捕后复合体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后复合体稳定控制方法，其特征在 于，所述的步骤1)中，空间绳系机器人目标抓捕动力学方程为：其中：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；识、Θ和φ为复合体姿态角；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。3. 根据权利要求1所述的空间绳系机器人目标抓捕后复合体稳定控制方法，其特征在 于，所述的步骤2)中，根据计算虚拟控制输入ξ 2。，其中K1为设计的正定 矩阵；ξ le= ξ f ξ ld，其中ξ i= ξ，ξ ldS ξ i的期望值，为ξ 对时间的导数。4. 根据权利要求1所述的空间绳系机器人目标抓捕后复合体稳定控制方法，其 特征在于，所述的步骤3)中，计算出期望系统状态量I 2d的方法为：通过一阶滤波实现，其中ε >0。5. 根据权利要求1所述的空间绳系机器人目标抓捕后复合体稳定控制方法，其特征在 于，所述的步骤4)中，复合体模型不确定性i,通过以下方法得到：其 中，a和 ε ；^为正数，η·η = (ηιηι Ti2Ti2 n3n3)T，Proj( ·)投影算子；n = I2e-X， X通过滤波器I得到；1(2和P为正定矩阵。6. 根据权利要求1所述的空间绳系机器人目标抓捕后复合体稳定控制方 法，其特征在于，所述的步骤5)中，计算抓捕后复合体稳定控制力和控制力矩Q :其中Q为Q。通过饱和环节得到，M。 为系统名义惯量矩阵；N。名义非线性速度相关项；G。名义重力相关项。
【专利摘要】本发明公开了一种空间绳系机器人目标抓捕后复合体稳定控制方法，包括以下步骤：1)建立空间绳系机器人目标抓捕后复合体动力学方程；2)计算虚拟控制输入ξ2c；3)计算得到期望系统状态量ξ2d；4)估计抓捕后复合体模型不确定性；5)计算抓捕后复合体稳定控制力和控制力矩Q。本发明考虑了系绳放绳速度限制情况下，利用指令滤波方法，进行控制器设计，保证了控制器的稳定性。本发明设计了自适应律，对复合体不确定性进行估计，并在控制器中进行补偿，提高了控制精度。本发明通过滤波器对控制输入进行限制，从而提高控制器的稳定性。
【IPC分类】G05D19/02
【公开号】CN105353790
【申请号】CN201510794393
【发明人】黄攀峰, 王东科, 鲁迎波, 孟中杰, 刘正雄
【申请人】西北工业大学
【公开日】2016年2月24日
【申请日】2015年11月17日