一种空间失稳非合作目标的二次抓捕控制策略的制作方法

本发明属于航天器控制技术研究领域，涉及一种空间失稳非合作目标的二次抓捕控制策略,该控制方法可应用于空间绳系机器人的二次抓捕中。

背景技术：

空间绳系机器人是一种通过系绳与操控飞行器连接，具有对一定运动范围失稳目标的多次抓捕能力，可重复使用的新型空间操控载荷。由于系绳的连接特性，空间绳系机器人可以在一次抓捕失败后方便的进行二次抓捕。而二次抓捕功能作为提高其工作成功率的重要功能之一，对抓捕任务的完成具有非常重要的作用。

技术实现要素：

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种空间失稳非合作目标的二次抓捕控制策略。

技术方案

一种空间失稳非合作目标的二次抓捕控制策略，其特征在于步骤如下：

步骤1：空间绳系机器人开始逼近目标，在满足系统设定的抓捕条件且时进入步骤3；若不满足抓捕条件进入步骤2；

步骤2：赋予控制系统回退过程的期望位置控制指令rd1和期望姿态控制指令σd1，空间绳系机器人在控制系统的作用下回退到安全距离，进入步骤1；

步骤3：进行抓捕，并判断是否成功抓捕，若是，则抓捕成功，任务结束；若否，判断系绳的张力fs是否满足ls≤fs，若满足，则表示系绳张紧，进入步骤4；若不满足，则表示系绳松弛，进入步骤6；

步骤4：系绳张紧表面空间绳系机器人卡死，赋予控制系统卡死情况下的期望位置控制指令rd2和姿态控制指令σd2，进入步骤5；

步骤5：控制系统调节空间绳系机器人的位置与姿态，判断空间绳系机器人是否到达期望的位置rd2与姿态σd2，若是，进入步骤2；若否，则重复步骤5；

步骤6：判断姿态角速度是否满足若满足，则表示空间绳系机器人失稳，赋予控制系统失稳情况下的期望角速度进入步骤7；若不满足，进入步骤2；

步骤7：控制系统调节空间绳系机器人的姿态角速度，判断空间绳系机器人是否到达期望的角速度若是，进入步骤2；若否，则重复步骤7。

一种完成所述空间失稳非合作目标的二次抓捕控制策略的控制律，其特征在于：

首先建立空间绳系机器人轨道以及姿态动力学模型：

其中x,y,z为空间绳系机器人相对于平台的位置，fsx,ftx,fsy,fty,fsz,ftz分别为空间绳系机器人受到的除重力之外的力所产生的三个轴向上的系绳拉力和推力器推力。n为平台轨道的轨道角速度，mc、ib分别为空间绳系机器人的质量和转动惯量。σb为修正罗德里格斯参数表示的空间绳系机器人本体的姿态矢量，h为空间绳系机器人的角动量；

h^×为矢量叉乘运算的反对称矩阵：

g(σb)定义为：tb为空间绳系机器人本体受到的合外力矩；

其次建立最优二次型对燃料消耗进行最优控制，最优控制律为：

u＝-kx

其中k为使得性能指标j＝∫[x^tqx+u^tru]dt取极小值时的解。j中矩阵q、r为hermite正定矩阵，x^tqx表示控制过程中的状态偏差，u^tru表示控制过程中消耗的能量。要想降低燃料消耗则可以增大r中的系数。此时的控制输出u即为系绳与推力器作用于空间绳系机器人上的合力f；

滑模控制律为：τ＝uc-ksat(s)

其中λ为对称正定矩阵，为姿态偏差，σbc表示当前测量得到的姿态角，σbd为期望的本体姿态角；为姿态角速度偏差，表示当前测量得到的姿态角速度，为期望的姿态角速度。为根据位置误差修正期望姿态角速度得到的参考姿态角速度；

有益效果

本发明提出的一种空间失稳非合作目标的二次抓捕控制策略,首先建立的空间绳系机器人的轨道以及姿态动力系模型，然后对模型进行了变换与分析，根据轨道控制最少燃料的要求设计了最优二次型控制器，根据二次抓捕策略的要求，基于姿态模型建模不精确性，外界未知干扰等的影响，设计了强鲁棒性的准滑模控制器。

附图说明

图1：空间绳系机器人抓捕目标示意图：

1为空间平台；2为空间绳系机器人；3为空间目标；4为地球；5为空间系绳；6为平台轨道。

图2：系统指令流向图

图3：整体的控制流程图

图4：控制策略示意图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明所采用的技术方案包括：

1)空间绳系机器人二次抓捕控制策略；

2)空间绳系机器人轨道以及姿态动力学模型的建立；

3)控制器设计。

1)空间绳系机器人二次抓捕控制策略

二次抓捕是在首次抓捕进行到抓捕段后发现目标的状态不便于抓捕，或是第一次抓捕失败，但是绳系机器人仍然具备抓捕能力的情况下，先将绳系机器人回退到安全位置，然后调整绳系机器人的位姿对目标再次进行逼近抓捕的过程。

由于系绳的存在，在进行二次抓捕回退过程轨道控制时，可以利用系绳结合推力器让空间绳系机器人能按照给定的轨迹回退到安全距离处。绳子的拉力可以用来辅助的轨道控制，减少推力器的燃料消耗。

二次抓捕过程的重点是控制空间绳系机器人安全退回到安全位置。空间绳系机器人安全回撤过程的难点是：空间绳系机器人与目标发生碰撞导致空间绳系机器人姿态发生剧烈变化，以及空间绳系机器人卡在目标上两种情况。综合考虑上述两种情况，通过系绳张力的情况判断空间绳系机器人抓捕后的状态，对于空间绳系机器人姿态发生剧烈变化的情况，需要快速对其姿态进行稳定控制，对于卡死的情况，需要先将空间绳系机器人绕x轴旋转确定的角度，然后保持姿态稳定进行轨道控制，两种情况都可以认为是对给定的期望姿态进行跟踪控制。整体的控制流程见图3。

控制策略与系统各部分之间的关系见附图2，二次抓捕控制策略主要是在空间绳系机器人在具备二次抓捕条件下，综合各个传感器测量得到目标的位置矢量rt、姿态矢量σt，系绳张力矢量fs，空间绳系机器人本体的位置矢量rb、姿态矢量σb等信息给出系统下一步的行动指令，然后给出控制器的期望跟踪指令，最后控制器根据该指令计算出控制力矩。

控制策略的具体内容如图4：其中，表示空间绳系机器人与目标之间的相对位置矢量，表示空间绳系机器人与目标之间的相对姿态矢量，lr/σ/b/s,hr/σ分别表示对应参数的下限和上限。

2)空间绳系机器人轨道以及姿态动力学模型的建立

坐标系定义见附图1.

综合hill方程和姿态动力学方程，可得：

其中x,y,z为空间绳系机器人相对于平台的位置，fsx,ftx,fsy,fty,fsz,ftz分别为空间绳系机器人受到的除重力之外的力所产生的三个轴向上的系绳拉力和推力器推力。n为平台轨道的轨道角速度，mc、ib分别为空间绳系机器人的质量和转动惯量。σb为修正罗德里格斯参数表示的空间绳系机器人本体的姿态矢量，h为空间绳系机器人的角动量；

h^×为矢量叉乘运算的反对称矩阵：

g(σb)定义为：tb为空间绳系机器人本体受到的合外力矩。

分别选择位置参数姿态参数p＝σb，为状态变量可以得到如下表达式：

上式中m(p)＝ibg^-1(σb)，

3)控制器设计

对于轨道控制，采用最优二次型对燃料消耗进行最优控制。

取最优控制律为

u＝-kx

其中k为使得性能指标j＝∫[x^tqx+u^tru]dt取极小值时的解。j中矩阵q、r为hermite正定矩阵，x^tqx表示控制过程中的状态偏差，u^tru表示控制过程中消耗的能量。要想降低燃料消耗则可以增大r中的系数。此时的控制输出u即为系绳与推力器作用于空间绳系机器人上的合力f。

求解性能指标可知，k＝r^-1b^tp，其中p由a^tp+pa-pbr^-1b^tp+q＝0解得。

对于姿态控制，要求其先以一个较小的角速度绕本体系的x轴旋转，脱离目标后，保持稳定状态，不自旋，各轴向的姿态角稳定在期望值附近。为克服模型建模不精确以及系统干扰的影响，利用滑模控制设计控制器：

定义滑模面为

其中λ为对称正定矩阵，为姿态偏差，σbc表示当前测量得到的姿态角，σbd为期望的本体姿态角；为姿态角速度偏差，表示当前测量得到的姿态角速度，为期望的姿态角速度。为根据位置误差修正期望姿态角速度得到的参考姿态角速度。

为避免颤振，采用如下控制律：

τ＝uc-ksat(s)

其中υc，pc为测量得到的系统状态参量。

其中sat(s)为饱和函数，对于s的每一个分量si有如下关系：

假设系统的精确模型为其中为未建模部分以及外界未知干扰。

定义误差模型为

其中

要使控制器渐进稳定，则要求k中的每一项ki均满足其中常数ηi是严格正的。