本发明涉及航天技术，具体涉及一种输入受限的空间非合作目标可控质量边界确定方法。
背景技术：
使用空间机器人进行的在轨维修(on-orbitservicing，oos)中，在抓捕后阶段，由于在追踪器和目标之间存在初始相对速度/角速度，抓捕后组合体姿态的整体姿态会发生改变。这些变化可能会损害捕获机构或影响后续任务。此外，为了随后可能进行的例如姿态定向或轨道机动任务，抓捕后组合体的姿态需要按照期望变化。因此，必须对抓捕后组合体的姿态控制进行研究。
然而几乎没有研究考虑追踪航天器和目标之间的质量比对控制系统的影响，且通常在研究中，均认为目标的质量远小于追踪航天器的质量，这会导致目标带来的不确定性大大降低。而如今，目标与追踪航天器的质量比正有逐渐加大的趋势：1)研究人员提出了一系列针对大型空间碎片残骸或小行星的抓捕计划，如nasa的amr计划，该计划是一个典型的大目标计划，其针对的小行星质量达到了2.5-13×105kg。由于低成本低能耗及高灵活高机动的优点，小卫星以及微小型卫星的应用愈发广泛，通过小卫星执行抓捕任务的概念计划也纷纷出炉，而通常目标的质量要远大于实施抓捕操作的小型微型。同时，大型空间碎片的存在极大的威胁了在轨航天器与航天员的出舱任务。即针对目标质量大于追踪航天器质量的抓捕后组合体控制研究亟待进行。
综上所述，出于明确本体目标质量比与追踪航天器控制之间的关系，需要一种输入受限的空间非合作目标可控质量边界确定方法。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种输入受限的空间非合作目标可控质量边界确定方法，在小卫星抓捕大型目标时，明确追踪航天器质量和目标质量比对控制系统的明确影响，以及本体执行机构输入受限情况下可控的目标质量边界。
为了达到上述目的，本发明包括以下步骤：
步骤一、通过设定目标/本体质量比系数，得到含有该系数的组合体转动惯量表达式；
步骤二、设计输入受限下的组合体姿态控制律，得到质量比系数与受限控制输入之间的关系；
步骤三、结合控制律，通过非线性规划计算最大质量边界。
所述步骤一中，设定目标/本体质量比系数，替换目标质量相关项，得到含有该系数的组合体转动惯量表达式。
所述步骤二中，通过控制律设计得到质量比系数与受限控制力矩之间的关系式。
所述步骤三中，通过非线性规划计算最大质量边界。
与现有技术相比，本发明是通过采用质量比对惯量参数中目标部分的替换，设计带有执行机构饱和的控制律，推导质量比与控制输入之间的关系。利用非线性规划理论，获取控制饱和下的最大质量边界，得到可控质量区间。在小卫星抓捕大型目标时，明确追踪航天器质量和目标质量比对控制系统的明确影响，以及本体执行机构输入受限情况下可控的目标质量边界。
附图说明
图1为本发明抓捕非合作目标后组合体示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1，本发明提供了一种输入受限的空间非合作目标可控质量边界确定方法，包括以下过程：
首先在机械臂本体抓捕非合作目标后，形成本体-机械臂-目标组合体；然后通过对组合体惯量参数的计算和变形，获得含有本体和目标质量比的惯量张量；最后通过设计带有执行机构饱和的控制律获得质量比关于控制输入的关系式，采用非线性规划理论进行最大质量边界确定。
具体步骤为：
步骤一：设定质量比系数，替换目标质量相关项：
设定目标/本体质量比km：
目标转动惯量：
其中i3为3×3的单位矩阵。
其中jc为组合体转动惯量；jb,jm分别为本体基座和机械臂的转动惯量；jt为非合作目标的转动惯量；cr(*)为旋转矩阵；ret为机械臂末端至目标质心的矢量；rc(*)是组合体质心到组合体各部分质心矢量；mb,mm,mt分别为本体，机械臂，目标的质量。
步骤二：通过控制律设计得到质量比系数与受限控制力矩之间的关系式：
其中sat(u)为输入受限的控制力矩；k1为控制系数；ωe为角速度误差；ωcd为期望角速度；drc为体坐标系与期望坐标系之间的转换矩阵；
步骤三：利用非线性规划理论，列出规划目标与约束条件，迭代计算最大质量：
待迭代方程：
约束条件：
其中sgn(*)为符号函数；
选择迭代：
其中αk为服从erlang分布的随机步长，dk为搜索方向：
其中ε为梯度权值，两个梯度函数分别为：
本发明的保护范围不仅局限于上述实施例，上述实施例仅用于解释本发明，凡与本发明在相同原理和构思下的变更或修改均在本发明公开的保护范围之内。