一种空间绳系机器人跟踪最优轨迹协调控制方法
【专利摘要】本发明提供了一种空间绳系机器人跟踪最优轨迹协调控制方法，用两个方向推力器结合空间系绳释放机构控制操作机器人减速实现操作机器人跟踪最优轨迹的协调控制；操作机器人跟踪最优轨迹过程中空间系绳方向的释放绳长控制通过控制空间平台上空间系绳释放机构对操作机器人实施减速实现，操作机器人在跟踪最优轨迹过程中面内及面外偏转角控制则是通过利用操作机器人上两个方向推力器实现。
【专利说明】一种空间绳系机器人跟踪最优轨迹协调控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于航天器控制技术研究领域。尤其涉及带有空间系绳的各类航天器逼近目标过程中协调跟踪控制【技术领域】，特别涉及一种新型“空间机动平台，空间系绳，操作机器人”构型的空间绳系机器人系统，具体涉及一种考虑空间系绳释放特性的空间绳系机器人跟踪最优轨迹协调控制方法，属于空间绳系机器人在轨服务领域。
【背景技术】
[0002]空间绳系机器人是一种新型的空间机器人，主要用于捕获空间目标并进行在轨维修、在轨组装等任务。空间绳系机器人的一般架构为“空间平台，空间系绳，操作机器人”，操作机器人被空间机动平台通过空间系绳释放后自主接近目标并最终实施在轨操作；操作机器人完成最终在轨服务任务的前提是需要逼近到距离目标较近的一个指定位置，传统的方法是操作机器人利用自带执行机构自主逼近目标；利用空间系绳、结合操作机器人上自带推力器进行协调逼近控制是近年来发展起来的新技术。
[0003]国外针对航天器逼近目标控制问题进行过一些利用空间系绳进行协调控制的研究,Yuya Nakamura、Masahiro Nohm1、Godard 及 Osamu MORI 等一些学者针对类似的空间绳系机器人提出利用系绳拉力及推力器进行协调控制绳系机器人飞行轨迹的方法，节省了绳系机器人的推力器燃料消耗；申请号为201310018189.2公开了一种空间绳系机器人系统逼近目标协调控制方法，该方法利用空间系绳及操作机器人自带推力器、反作用轮实现了空间绳系机器人逼近目标过程中的协调位姿控制，将最优逼近目标轨迹规划出的最优控制力优化分配到空间系绳和操作机器人自带推力器上，利用空间系绳进行协调控制采用张力控制。以上这些方法进行逼近目标利用空间系绳的协调控制时均采用了空间系绳的张力控制，但是直接采用空间系绳的张力控制较难实现(张力跟踪控制较难实现)，因此存在这实现性差的缺点。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对空间绳系机器人的特点提供一种考虑空间平台上空间系绳释放机构特性的操作机器人跟踪最优轨迹的协调控制方法。
[0005]本发明采用以下技术方案:
[0006]一种空间绳系机器人跟踪最优轨迹协调控制方法，用两个方向推力器结合空间系绳释放机构控制操作机器人减速实现操作机器人跟踪最优轨迹的协调控制；操作机器人跟踪最优轨迹过程中空间系绳方向的释放绳长控制通过控制空间平台上空间系绳释放机构对操作机器人实施减速实现，操作机器人在跟踪最优轨迹过程中面内及面外偏转角控制则是通过利用操作机器人上两个方向推力器实现。
[0007]具体包括以下步骤:
[0008](I)建立空间绳系机器人的操作机器人的释放二体动力学模型和空间系绳释放机构的结构与动力学模型；[0009](2)规划操作机器人逼近目标的最优轨迹；
[0010](3)建立操作机器人误差状态空间释放动力学模型，然后根据该模型建立用于控制操作机器人面内面外角的SDRE控制器，根据释放机构的结构和动力学模型建立控制释放绳长的系绳释放机构ro控制器；
[0011 ] (4)轨迹跟踪协调控制方法如下:
[0012](4.1)设定操作机器人的初始状态值:初始面内偏转角a C1、初始面内偏转角速度?初始面外偏转角β ο、初始面外偏转角速度A、初始系绳长度Ιο、初始释放速度10 I
[0013](4.2)比较操作机器人步骤(4.1)的初始状态值与步骤(2)的最优轨迹初始点值
^qo=[?qo ^q0 βφ βφ Ιφ ‘]Τ，得到操作机器人的状态误差，将其作为SDRE控制器的输
入，经计算后得到操作机器人在本体坐标系下两个方向的实际附加控制力F/、F2'及系绳控制加速度at ;然后根据步骤(2)得到的最优理想控制力和操作机器人在本体坐标系下两个方向的实际附加推力器推力F1及F2，计算得到操作机器人实际的面内及面外偏转角和偏转角速度；
[0014](4.3)根据步骤(2)得到的最优轨迹初始点值Iqtl及~利用系绳释放机构结构模
型得到释放滚轮的期望初始偏转角度及角速度；根据步骤(4.1)设定的初始状态值Itl及1。
利用系绳释放机构结构模 型计算得到实际的初始偏转角度和角速度，比较期望初始偏转角度及角速度与实际初始偏转角速度及角速度，经ro控制器计算得到释放滚轮的驱动电机
的驱动力矩Tm ;根据步骤(2)得到的最优轨迹初始点值Iqtl及‘及步骤(4.1)中设定的初
始状态值Itl及4计算得到空间绳系的张力Ft，然后根据空间绳系的张力Ft和释放滚轮的
驱动电机的驱动力矩Tm计算得到滚轮实际的转动角度及角速度，最后将滚轮实际的转动角度及角速度换算为实际的释放绳长及释放速度；
[0015](4.4)将操作机器人此时的当前实际状态值作为初始状态值，并将下一时刻的最优轨迹状态值作为最优轨迹初始点值
【权利要求】
1.一种空间绳系机器人跟踪最优轨迹协调控制方法，其特征在于:用两个方向推力器结合空间系绳释放机构控制操作机器人减速实现操作机器人跟踪最优轨迹的协调控制；操作机器人跟踪最优轨迹过程中空间系绳方向的释放绳长控制通过控制空间平台上空间系绳释放机构对操作机器人实施减速实现，操作机器人在跟踪最优轨迹过程中面内及面外偏转角控制则是通过利用操作机器人上两个方向推力器实现。
2.根据权利要求1所述的一种空间绳系机器人跟踪最优轨迹协调控制方法，其特征在于:具体包括以下步骤: (1)建立空间绳系机器人的操作机器人的释放二体动力学模型和空间系绳释放机构的结构与动力学模型； (2)规划操作机器人逼近目标的最优轨迹； (3)建立操作机器人误差状态空间释放动力学模型，然后根据该模型建立用于控制操作机器人面内面外角的SDRE控制器，根据释放机构的结构和动力学模型建立控制释放绳长的系绳释放机构H)控制器； (4)轨迹跟踪协调控制方法如下: (4.1)设定操作机器人的初始状态值:初始面内偏转角Qtl、初始面内偏转角速度内、初始面外偏转角β ο、初始面外偏转角速度A初始系绳长度Ιο、初始释放速度4 ；(4.2)比较操作机器人步骤(4.1)的初始状态值与步骤(2)的最优轨迹初始点值?,ο βφ βφ ?φ /qQ]T，得到操作机器人的状态误差，将其作为SDRE控制器的输入，经计算后得到操作机器人在本体坐标系下两个方向的实际附加控制力F/、F2'及系绳控制加速度at ;然后根据步骤(2)得到的最优理想控制力和操作机器人在本体坐标系下两个方向的实际附加推力器推力F1及F2，计算得到操作机器人实际的面内及面外偏转角和偏转角速度； (4.3)根据步骤(2)得到的最优轨迹初始点值Iqtl及‘，利用系绳释放机构结构模型得到释放滚轮的期望初始偏转角度及角速度；根据步骤(4.1)设定的初始状态值Itl及/。利用系绳释放机构结构模型计算得到实际的初始偏转角度和角速度，比较期望初始偏转角度及角速度与实际初始偏转角速度及角速度，经H)控制器计算得到释放滚轮的驱动电机的驱动力矩Tm;根据步骤(2)得到的最优轨迹初始点值Iqtl及 > 及步骤(4.1)中设定的初始状态值Itl及4计算得到空间绳系的张力Ft，然后根据空间绳系的张力Ft和释放滚轮的驱动电机的驱动力矩Tm计算得到滚轮实际的转动角度及角速度，最后将滚轮实际的转动角度及角速度换算为实际的释放绳长及释放速度； (4.4)将操作机器人此时的当前实际状态值作为初始状态值，并将下一时刻的最优轨迹状态值作为最优轨迹初始点值?qo β ^ 4]Τ; (4.5)迭代重复上述步骤(4.2)至步骤(4.4)，直至得到操作机器人的实际跟踪轨迹。
3.根据权利要求2所述的一种空间绳系机器人跟踪最优轨迹协调控制方法，其特征在于:假定空间平台轨道坐标系为OXyZ，其中OX轴指向空间平台轨道运行切向方向，OZ轴由空间平台质心O指向地心方向，oy指向右手坐标系方向；设操作机器人为一个质点，不考虑其姿态运动，o2x2y2z2为操作机器人本体坐标系，其中O2Z2轴沿空间系绳方向，由空间平台指向操作机器人质心，坐标系oxyz绕oy轴旋转α然后绕οχ轴旋转β后οχ轴即与o2x2y2z2坐标系的O2X2轴指向一致，oy轴即与o2x2y2z2坐标系的o2y2轴指向一致；所述步骤⑴的操作机器人的释放二体动力学模型如下表示:
4.根据权利要求3所述的一种空间绳系机器人跟踪最优轨迹协调控制方法，其特征在于:所述操作机器人在两个方向的推力器控制力Ul、U2,以及空间系绳可以提供的控制加速度U3满足以下条件:
5.根据权利要求1所述的一种空间绳系机器人跟踪最优轨迹协调控制方法，其特征在于:所述步骤(2)的操作机器人逼近目标最优轨迹规划是基于步骤(1)的操作机器人的释放二体动力学模型的，包括以下步骤: (1.D根据终端逼近要求确定操作机器人的终端约束； (1.2)根据操作机器人在逼近过程中的要求明确操作机器人的各状态约束: (1.3)利用高斯伪谱法将随时间连续变化的操作机器人状态量和控制量在有限个数的时间点进行离散，在这些离散点上利用Lagrange插值多项式近似表达状态量和控制量，利用二次规划算法以操作机器人自带推力燃料最少为指标进行优化求解，得出逼近目标最优轨迹即得出空间系绳的理想释放长度、释放速度、理想面内偏转角及面外偏转角、控制量Up U2及U3的理想变化趋势。
6.根据权利要求2所述的一种空间绳系机器人跟踪最优轨迹协调控制方法，其特征在于:所述步骤(1)的空间系绳释放机构的结构模型为:其中，
7.根据权利要求1所述的一种空间绳系机器人跟踪最优轨迹协调控制方法，其特征在于:假定操作机器人的状态变量为= a -a q、 =α、X3 = β -β q、X4= β、X5 = 1-1Q> = ，则操作机器人释放误差动力学方程的状态表示为:
8.根据权利要求7所述的一种空间绳系机器人跟踪最优轨迹协调控制方法，其特征在于:设X= [X1 X2 X3 X4X5 x6]T，u= [F/ F2' at]T,则操作机器人误差状态空间释放动力学模型为
9.根据权利要求8所述的一种空间绳系机器人跟踪最优轨迹协调控制方法，其特征在于:所述Riccati方程的求解方法为:首先定义Riccati算子D (P),
D (P) = At (X) P+PA (X) -PB (x) IT1 (x) Bt (x) P+Q (x)， Riccati算子D (P)的Frechet 一阶导数为:Dp (S) = - [S (A-BIT1BtP) + (A-BIT1BtP) tS]， 利用SDRE方法对SDRE控制器进行求解的步骤为: 第I步:求初始矩阵Ptl: 若当前时刻t = O,则用Schur法得到一个对称稳定阵Pci ； 若当前时刻t > O，且上一步长的P使A(X)、B(X)稳定，则Ptl即为上一补偿的P，否则用Schur法重新求新的P。； 第 2 步:求解 Lyapunov 方程 Dp(S) = D(Pi)； 第 3 步:计算:Pi+1 = P「2S ； 第4步:设阈值δ，若|D(Pi+1)| < δ，到第7步，否则进入第5步； 第5步:计算Pi+1 = P1-S,若ID (Pi+1) I < δ，到第7步，否则进入第6步； 第6步:若前述步骤仿真时间超过步长时间，到第7步，否则转到第2步； 第7步:当前步长计算结束，令P = Pi+1，可以得到此补偿下的控制输入:u(x) = -R-1 (x)Bt (X) P (X) x。
10.根据权利要求2所述的一种空间绳系机器人跟踪最优轨迹协调控制方法，其特征在于:系绳释放机构驱动电机转矩控制律为:Tm = K1M -Φ,,^+κμ -1q)， 其中，κρ、Kd分别为驱动电机ro控制比例系数和微分系数；τπ为驱动电机输入控制力矩，?为滚轮的旋转角度，表为滚轮的旋转角速度，为滚轮的期望转角。
【文档编号】G05D1/02GK103955220SQ201410181680
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年4月30日 优先权日:2014年4月30日
【发明者】黄攀峰, 徐秀栋, 孟中杰 申请人:西北工业大学