基于扩展雅克比矩阵的空间机器人星臂协调控制方法
【专利摘要】基于扩展雅克比矩阵的空间机器人星臂协调控制方法，解决在轨工作的空间机械臂与基座卫星整体协同控制问题。包括计算空间机器人的运动学和动力学参数；建立基于扩展雅可比矩阵的空间机器人数学模型；设计空间机器人星臂协调控制器；对机械臂末端轨迹进行参数化；对机械臂轨迹进行优化；计算空间机器人单框架控制力矩陀螺系统的角速度指令。本发明不需要卫星根据姿态测量进行滞后的反馈控制，通过将臂星的耦合运动进行整体数学建模，根据输入的机械臂末端轨迹，直接计算出卫星需补偿机械臂运动的单框架控制力矩陀螺系统的角速度指令，实现臂星的整体协调控制；机械臂末端轨迹经过优化使卫星态控制系统补偿机械臂反作用力矩所消耗的能量较小。
【专利说明】基于扩展雅克比矩阵的空间机器人星臂协调控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种空间机器人星臂协调控制方法。
【背景技术】
[0002]空间机器人执行空间任务时面临的一个实际问题是任何空间机械臂的运动都会改变载体卫星的位置和姿态，而载体卫星位置姿态的改变也会反过来影响空间机械臂的定位，同时也会放大空间机械臂末端操作器的定位误差，不利于空间机械臂的高精度控制。为了满足空间机器人工作过程中对地通信和对太阳能帆板朝向等条件的实际需要，往往要求机械臂运动的同时载体卫星的姿态应保持稳定。如今，随着空间在轨维护和深空探索等科学应用的开展，越来越需要空间机器人替代人类实现在轨操作。空间机械臂与基座卫星的整体协调控制是其在轨应用首要考虑的问题。
[0003]—些学者基于空间机械臂建模中的VM (Virtual Manipulator)方法,规划了一系列连续的螺旋空间机械臂轨迹，希望通过这种方式能够最小化空间机械臂运动时对载体卫星姿态的扰动，但是这样一来就使机械臂的运动方式受到了严重的限制，运动路线也很复杂，不利于直接完成空间任务。通过空间机器人结构上的改变也可以实现载体卫星姿态保持不变，一些研究认为可以引入一条额外的空间机械臂专门用于补偿空间机器人执行任务时产生的载体卫星扰动力矩，但是这使整个空间机器人系统更复杂，从概率上讲也更容易陷入故障状态，并且很不经济。通过动力学计算获得空间机械臂运动对载体卫星姿态的扰动力矩，并通过反作用飞轮对扰动力矩进行补偿是一种很好的方法，但是这种方法往往需要借助复杂的动力学计算，算法结构复杂，实时性不强，而且存在反作用飞轮输出力矩小，响应较慢的问题。因此，提出一种简单的空间机器人协调控制的方法，是非常迫切和必要的。
【发明内容】
[0004]本发明提供一种基于扩展雅克比矩阵的空间机器人星臂协调控制方法，以解决空间机械臂在轨工作时与基座卫星整体协同控制问题，进而实现在机械臂完成空间任务的同时保证载体卫星姿态基本不变；同时通过优化机械臂的运动轨迹，使基座卫星在补偿机械臂产生的反作用力矩时消耗的能量最小。
[0005]基于扩展雅可比矩阵的空间机器人整体协调的优化控制方法由以下步骤完成:
[0006]步骤一、通过ProE建模计算出包括机械臂和基座卫星的空间机器人的运动学和动力学参数；
[0007]步骤二、建立基于扩展雅克比矩阵的空间机器人整体数学模型；
[0008]步骤三、利用Moore-PeniOse伪逆求解方法设计空间机器人星臂协调控制器(见式(6))；
[0009]步骤四、空间机械臂末端轨迹参数化；
[0010]步骤五、基于粒子群优化方法，根据空间机器人协调控制器得到的单框架控制力矩陀螺系统角动量的表达式构建的优化目标函数(见式(12))，利用构建的优化目标函数对经过参数化的空间机械臂末端轨迹进行优化；
[0011]步骤六、将空间机械臂优化轨迹数据输入给空间机器人星臂协调控制器，得到单框架控制力矩陀螺系统的角动量，利用得到的角动量计算出单框架控制力矩陀螺系统的角速度指令(利用式(19)计算)。
[0012]本发明具有以下有益效果:本发明通过建立的空间机器人(空间机器人包括机械臂和基座卫星)的整体数学模型，根据输入的机械臂末端轨迹，可直接计算出卫星需补偿机械臂运动的单框架控制力矩陀螺系统的角速度指令，实现了空间机械臂与卫星基座的整体协调控制；通过对执行同样任务的空间机械臂轨迹进行优化，可使卫星姿态控制系统补偿机械臂反作用力矩消耗的能量较小。
[0013]本发明方法不需要卫星根据姿态测量进行滞后的反馈控制，而是通过将臂星的耦合运动进行整体数学建模，根据输入的机械臂末端轨迹，可直接计算出卫星需补偿机械臂运动的单框架控制力矩陀螺系统的角速度指令，实现臂星的整体协调控制；同时机械臂末端轨迹经过优化，可使卫星态控制系统补偿机械臂反作用力矩所消耗的能量较小；该方法避免了复杂的动力学计算，方法结构简单，便于实现载体卫星姿态的高精度控制，可用于空间机器人在轨维护、空间碎片清理、深空探测操做等空间应用领域。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为空间机器人星臂协调控制流程图；
[0015]图2为空间机器人系统各坐标系示意图；
[0016]图3为利用粒子群方法对机械臂轨迹进行优化的流程图；
[0017]图4为空间机器人机械臂关节轨迹图，图4中:图4a为空间机器人第一关节角轨迹图，图4b为第二关节轨迹图，图4c为第三关节轨迹图，图4d为第四关节轨迹图，图4e为第五关节轨迹图，图4f为第六关节轨迹图；
[0018]图5为单框架控制力矩陀螺系统框架角轨迹图；图5中:图5a为第I个单框架控制力矩陀螺的框架角轨迹图，图5b为第2个单框架控制力矩陀螺的框架角轨迹图，图5c为第3个单框架控制力矩陀螺的框架角轨迹图，图5d为第4个单框架控制力矩陀螺的框架角轨迹图；
[0019]图6为单框架控制力矩陀螺系统角动量变化图，图6中:图6a为单框架控制力矩陀螺系统角动量在X轴的分量的变化图，图6b为单框架控制力矩陀螺系统角动量在y轴的分量的变化图，图6c为单框架控制力矩陀螺系统角动量在ζ轴的分量的变化图；
[0020]图7为空间机器人载体卫星姿态图，图7中:图7a为空间机器人载体卫星姿态用欧拉角表述时的转角Citl，图7b为欧拉角表述时的转角Ptl，图7c为欧拉角表述时的转角Y 0°
【具体实施方式】
[0021]【具体实施方式】一:结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式由以下步骤完成:
[0022]步骤一、通过ProE建模计算出包括机械臂和基座卫星的空间机器人的运动学和动力学参数；
[0023]步骤二、建立基于扩展雅克比矩阵的空间机器人整体数学模型；
[0024]步骤三、利用Moore-PeniOse伪逆求解方法设计空间机器人星臂协调控制器(见式(6))；
[0025]步骤四、空间机械臂末端轨迹参数化；
[0026]步骤五、基于粒子群优化方法，根据空间机器人协调控制器得到的单框架控制力矩陀螺系统角动量的表达式构建优化目标函数(见式(12))，利用构建的优化目标函数对经过参数化的空间机械臂末端轨迹进行优化；
[0027]步骤六、将空间机械臂优化轨迹数据输入给空间机器人星臂协调控制器，得到单框架控制力矩陀螺系统的角动量，利用得到的角动量计算出单框架控制力矩陀螺系统的角速度指令(利用式(19)计算)。
[0028]【具体实施方式】二:本实施方式与【具体实施方式】一的不同点是:本实施方式在步骤二所述的建立基于扩展雅克比矩阵的空间机器人整体数学模型的公式为:
【权利要求】
1.基于扩展雅克比矩阵的空间机器人星臂协调控制方法，其特征在于它由以下步骤完成: 步骤一、通过ProE建模计算出包括机械臂和基座卫星的空间机器人的运动学和动力学参数； 步骤二、建立基于扩展雅克比矩阵的空间机器人整体数学模型； 步骤三、利用Moore-Penrose伪逆求解方法设计空间机器人星臂协调控制器； 步骤四、空间机械臂末端轨迹参数化； 步骤五、基于粒子群优化方法，根据空间机器人协调控制器得到的单框架控制力矩陀螺系统角动量的表达式构建优化目标函数，利用构建的优化目标函数对经过参数化的空间机械臂末端轨迹进行优化； 步骤六、将空间机械臂优化轨迹数据输入给空间机器人星臂协调控制器，得到单框架控制力矩陀螺系统的角动量，利用得到的角动量计算出单框架控制力矩陀螺系统的角速度指令。
2.根据权利要求1所述的基于扩展雅克比矩阵的空间机器人星臂协调控制方法，其特征在于在步骤二所述的建立基于扩展雅克比矩阵的空间机器人整体数学模型的公式为:
3.根据权利要求2所述的基于扩展雅克比矩阵的空间机器人星臂协调控制方法，其特征在于在步骤三所述的利用Moore-Penrose伪逆求解方法设计空间机器人的星臂协调控制器为:
4.根据权利要求3所述的基于扩展雅克比矩阵的空间机器人星臂协调控制方法，其特征在于在步骤四所述的空间机械臂末端轨迹参数化的过程为:
5.根据权利要求4所述的基于扩展雅克比矩阵的空间机器人星臂协调控制方法，其特征在于在步骤五所述的基于粒子群优化方法，根据空间机器人协调控制器得到的单框架控制力矩陀螺系统角动量的表达式构建优化目标函数，利用构建的优化目标函数对经过参数化的空间机械臂末端轨迹进行优化，其实现过程如下: 为了利用粒子群方法对空间机器人末端轨迹进行优化，设计优化目标函数为:
6.根据权利要求5所述的基于扩展雅克比矩阵的空间机器人星臂协调控制方法，其特征在于在步骤六所述的将空间机械臂优化轨迹数据输入给空间机器人星臂协调控制器，得到单框架控制力矩陀螺系统的角动量，利用得到的角动量计算出单框架控制力矩陀螺系统的角速度指令；其过程为: 根据式(6)中空间机器人星臂协调控制器输出的单框架控制力矩陀螺系统的角动量，求解单框架控制力矩陀螺姿态控制系统的框架角速度指令为:
【文档编号】G05B13/04GK103869704SQ201410138354
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年4月8日 优先权日:2014年4月8日
【发明者】刘宏, 王滨, 李振宇, 夏进军, 王志超 申请人:哈尔滨工业大学