一种欠驱动角度解耦姿态控制方法及系统与流程

本发明涉及姿态控制领域。更具体地，涉及一种欠驱动角度解耦姿态控制方法及系统。

背景技术：

欠驱动姿态控制应用范围广泛，在航天器、机器人、船舶等领域均有明确的实用意义。欠驱动姿态控制通过使用较少的执行自由度，既能提高复杂系统的可靠性，也能实现结构欠驱动系统的可控性。目前国内外有一些欠驱动控制的研究。这些研究大部分通过设计复杂非连续的控制律来实现欠驱动控制的可控性，也有一些研究以规划机动路径为思路，在比较理想状态下逐步执行各个步骤，最终使得控制收敛。这些研究提出的方法和策略都比较复杂，并没有通过简单直接的方式进行欠驱动控制。进行在一定意义上，姿态控制的本质特性对欠驱动控制有重要的指导意义，目前的研究也没有很好的与姿态控制的本质特性结合起来。

因此，需要提供一种欠驱动角度解耦姿态控制方法及系统。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种欠驱动角度解耦姿态控制方法及系统，使用控制自由度少于运动自由度的执行机构，实现欠驱动系统的角度解耦姿态控制。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种欠驱动角度解耦姿态控制方法，包括：

计算所需姿态转移矩阵；

根据姿态转移矩阵构建姿态场景；

在所述姿态场景内实施欠驱动角度解耦姿态控制。

进一步的，所述计算所需姿态转移矩阵包括：根据当前姿态矩阵和目标姿态矩阵计算得到姿态转移矩阵。

进一步的，所述根据姿态转移矩阵构建姿态场景包括：

构建姿态转移矩阵a与第一姿态改变角度θ、第二姿态改变角度的关系：

控制第一姿态改变角度θ、第二姿态改变角度实现以下目标：

进一步的，所述在所述姿态场景内实施欠驱动角度解耦姿态控制包括：

在满足所述目标的基础上根据第一姿态改变角度θ、第二姿态改变角度计算控制矢量在x轴、y轴、z轴的坐标；

根据控制矢量的坐标计算控制矢量的方向；

改变控制矢量的方向使其与预设的正确方向重合。

进一步的，所述控制矢量包括第一控制矢量和第二控制矢量，改变控制矢量时改变其中一个控制矢量，另一个保持不变最终两个控制矢量重合。

本发明还公开了一种欠驱动角度解耦姿态控制装置，包括：

姿态转移矩阵计算单元，用于计算所需姿态转移矩阵；

姿态场景构建单元，用于根据姿态转移矩阵构建姿态场景；

姿态控制单元，用于在所述姿态场景内实施欠驱动角度解耦姿态控制。

进一步的，所述姿态转移矩阵计算单元根据当前姿态矩阵和目标姿态矩阵计算得到姿态转移矩阵。

进一步的，所述姿态场景构建单元还用于：构建姿态转移矩阵a与第一姿态改变角度θ、第二姿态改变角度的关系：

控制第一姿态改变角度θ、第二姿态改变角度实现以下目标：

进一步的，所述姿态控制单元还用于：

在满足所述目标的基础上根据第一姿态改变角度θ、第二姿态改变角度计算控制矢量在x轴、y轴、z轴的坐标；

根据控制矢量的坐标计算控制矢量的方向；

改变控制矢量的方向使其与预设的正确方向重合。

本发明还公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有指令，当所述计算机可读存储介质在计算机上运行时，使得所述计算机运行上述的方法。

本发明的有益效果如下：

本发明所述技术方案以当前姿态、期望姿态等信息为输入，计算出实现角度解耦的控制力矩。本发明充分结合姿态控制本质特性与欠驱动控制特性，实现了简单直接的控制效果，同时其控制精度良好。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；

图1为本发明一种欠驱动角度解耦姿态控制方法流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明公开的一种欠驱动角度解耦姿态控制方法，包括：

s1、计算所需姿态转移矩阵；

s2、根据姿态转移矩阵构建姿态场景；

s3、在所述姿态场景内实施欠驱动角度解耦姿态控制。

具体，s1中，姿态转移矩阵计算方法以当前姿态、目标姿态为输入，计算出姿态转移矩阵。

所述算法的公式如下：

a＝b*c^-1(1)，

其中，a为姿态转移矩阵，b为目标姿态矩阵，c为当前姿态矩阵。

s2中，构建姿态转移矩阵a与第一姿态改变角度θ、第二姿态改变角度的关系：

通过控制第一姿态改变角度θ、第二姿态改变角度实现以下目标：

s3中，在满足所述目标的基础上，首先令：

其中，λ1表示第一控制矢量与预设的目标指向夹角的余弦值，λ2表示第二控制矢量与预设的目标指向夹角的余弦值。

公式(4)得出方程的根后建立方程如下：

其中，x、y为第二控制矢量在x轴和y轴的坐标。

解出(x,y)后：

其中z为第二控制矢量在z轴的坐标。

计算第二控制矢量的方向：

当使用公式(7)对第二控制矢量控制时，λ2值会增加，同时λ1保持不变，这就是所谓的解耦。最终，λ2与λ1均能够增加至1，届时角度θ、的值趋于零，第一控制矢量、第二控制矢量的方向及预设的目标指向重合，姿态控制到位。

本发明还公开了一种欠驱动角度解耦姿态控制装置，包括：

姿态转移矩阵计算单元，用于计算所需姿态转移矩阵；

姿态场景构建单元，用于根据姿态转移矩阵构建姿态场景；

姿态控制单元，用于在所述姿态场景内实施欠驱动角度解耦姿态控制。

进一步的，所述姿态转移矩阵计算单元根据当前姿态矩阵和目标姿态矩阵计算得到姿态转移矩阵。

进一步的，所述姿态场景构建单元还用于：构建姿态转移矩阵a与第一姿态改变角度θ、第二姿态改变角度的关系：

控制第一姿态改变角度θ、第二姿态改变角度实现以下目标：

进一步的，所述姿态控制单元还用于：

在满足所述目标的基础上根据第一姿态改变角度θ、第二姿态改变角度计算控制矢量在x轴、y轴、z轴的坐标；

根据控制矢量的坐标计算控制矢量的方向；

改变控制矢量的方向使其与预设的正确方向重合。

本领域的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、装置(设备)、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、装置(设备)和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。