一种利用机械臂抑制航天器基座姿态干扰的方法技术

技术编号:18164833 阅读:55 留言:0更新日期:2018-06-09 10:59
本发明专利技术公开了一种利用机械臂抑制航天器基座姿态干扰的方法,包括以下步骤:首先,根据空间机器人的构型建立其多体动力学模型,并在此基础上分析机械臂、天线与基座的动量守恒问题;其次,考虑任务优先级,基于动态平衡控制与零反作用空间理论,设计空间机械臂的轨迹以协调空间机械臂末端执行器任务和抑制卫星基座姿态干扰任务;最后,基于上述分析,设计空间机械臂闭环逆运动学控制,解决基座姿态抑制中由于误差积累逐渐增大的问题。结合动态平衡控制和零反作用空间的概念,通过构建运动学冗余机械臂的轨迹抑制其他转动机构引起的航天器基座姿态干扰的新方法。

A method for suppressing attitude disturbance of spacecraft base using mechanical arm

The invention discloses a method of using the manipulator to suppress the attitude interference of the base of a spacecraft. It includes the following steps: first, the multi-body dynamic model is established according to the configuration of the space robot, and on this basis, the momentum conservation of the manipulator, the antenna and the base are analyzed. The space theory of balance control and zero inverse action is used to design the trajectory of the space manipulator to coordinate the task of the end actuator of the space manipulator and to suppress the jamming task of the satellite base attitude. Finally, based on the above analysis, the closed loop inverse kinematics control of the space manipulator is designed to solve the gradual increase of the error accumulation in the base attitude suppression. The problem. Combined with the concept of dynamic balance control and zero reverse action space, a new method of restraining the attitude interference of the spacecraft base caused by other rotational mechanisms by constructing the trajectory of a kinematic redundant manipulator is constructed.

【技术实现步骤摘要】
一种利用机械臂抑制航天器基座姿态干扰的方法
本专利技术属于空间机器人轨迹规划
;具体涉及一种利用机械臂抑制航天器基座姿态干扰的方法。
技术介绍
迄今为止,仍未实现完全自主的空间在轨服务任务,例如卫星维修、在轨组装、碎片清除等。由于空间机械臂具有多功能性、可扩展性等特性,成为一种实现在轨服务的优异手段。对于执行在轨服务任务的航天器,不仅仅具备机械臂等转动机构,还具备天线、太阳帆板等转动机构。因此,在轨服务航天器是一个复杂的多体系统。当天线、太阳帆板转动时,不可避免的对航天器本体造成姿态干扰,利用机械臂的运动消除这些姿态干扰非常重要,因为姿态干扰会影响相对敏感器的测量,亦可节省星上宝贵的燃料资源。因此,如何设计一种利用机械臂抑制航天器基座姿态干扰,具有重大的研究意义与实用价值。空间机械臂本身作为一个运行在微重力环境中的多输入、多输出、非线性、强耦合的复杂系统,其运动规划问题起源于计算几何学的相关研究课题。文献中对此已有一系列相关研究,Yoshida等学者提出了零反作用空间的概念并在ETS-VII项目中进行了飞行验证,特别是针对运动冗余机械臂,在此空间内设计的机械臂轨迹可以最小化基座姿态干扰并移除操作过程中的关节速度约束。徐文福等人针对自由漂浮空间机器人提出了速度级逆运动学方程的方法,用于实现机械臂末端执行器连续位姿跟踪、基座姿态调整等任务。Kaigom等采用粒子群算法搜索参数化空间构建了基座姿态最小干扰的空间机械臂轨迹。基于约束最小二乘方法,Cocuzza等设计了机械臂轨迹跟踪过程中航天器局部最小动力学干扰的控制方法。王从庆等针对空间自由漂浮双臂机器人提出一种鲁棒协调控制方法,并保证内力跟踪误差的有界性。王明等提出一种基于机械臂耦合力矩评估的组合航天器姿态协调控制方法。上述有关空间自由漂浮机器人的运动规划方法虽然能够完成最小基座姿态干扰的任务目标,但是一般仅考虑航天器带有单个机械臂或者两个完全相同的机械臂。然而,如上所述,航天器本体上可以安装有多个转动机构。每个转动机构的构型、质量分布特性不尽相同,这种情况下,如何协调不同转动机构间的运动十分重要。
技术实现思路
本专利技术提供了一种利用机械臂抑制航天器基座姿态干扰的方法;结合动态平衡控制和零反作用空间的概念,提出了应用运动学冗余机械臂抑制其他转动机构引起的航天器基座姿态干扰的新方法。本专利技术的技术方案是:一种利用机械臂抑制航天器基座姿态干扰的方法,包括以下步骤:步骤1,建立空间机器人系统的动力学模型:其中Hb,Hm,Ha分别表示基座、机械臂和天线的惯量矩阵;Hbm,Hba分别表示机械臂与基座,天线与基座之间的动力学耦合矩阵;cb,cm,ca分别表示基座、机械臂、天线的科里奥利力和离心力;τm,τa分别表示机械臂、天线关节电机的控制力矩;fb,fe分别表示作用于基座与机械臂末端执行器的广义外力;Jb,Je为基座和末端执行器的Jacobian矩阵依据角动量守恒定律得到空间机器人的总动量为:其中Is∈R3×3为空间机器人的惯量矩阵,Ibm∈R3×n和Iba∈R3×2为机械臂与基座、天线与基座的耦合惯量矩阵;步骤2,设计动态平衡状态下的机械臂关节轨迹,其中包括最小化姿态干扰的任务和同时考虑末端执行器的任务以及最小化基座干扰的任务两种情形;步骤3,设计机械臂关节速度的闭环逆运动学控制为:其中和分别表示末端执行器的位置和姿态偏差,为一个正定控制增益矩阵,δxe为跟踪误差,其中KP的各个元素值越大,δxe的范数越小;并且根据步骤2中最小化姿态干扰的任务和同时考虑末端执行器的任务以及最小化基座干扰的任务两种不同的情形,通过上述闭环逆运动学控制设计机械臂关节轨迹。更进一步的,本专利技术的特点还在于:其中步骤2中在最小化姿态干扰的任务的情形下机械臂关节轨迹为:其中是Ibm的零空间映射。其中步骤3中最小化姿态干扰的任务结合闭环逆运动学控制设计机械臂关节轨迹为:其中步骤2中同时考虑末端执行器的任务以及最小化基座干扰的任务的情形下,且最小化基座干扰的任务为主任务时,机械臂关节轨迹为:其中其中步骤3中在同时考虑末端执行器的任务以及最小化基座干扰的任务的情形下,且最小化基座干扰的任务为主任务时,结合闭环逆运动学控制设计机械臂关节轨迹为:其中步骤2中同时考虑末端执行器的任务以及最小化基座干扰的任务的情形下,且机械臂末端执行器的任务为主任务时,机械臂关节轨迹为:其中步骤3中同时考虑末端执行器的任务以及最小化基座干扰的任务的情形下,且机械臂末端执行器的任务为主任务时,结合闭环逆运动学控制设计机械臂关节轨迹为:与现有技术相比,本专利技术的有益效果是:通过结合动态平衡控制和零反作用空间,针对星载转动天线对航天器基座的姿态干扰,提出了空间自由漂浮运动学冗余机械臂的运动规划方法,实现运动学冗余机械臂在空间环境下的关节轨迹规划,生成机械臂各关节的轨迹,进而实现对航天器基座姿态干扰的抑制;在步骤3中通过选择正定控制增益矩阵,并且通过Lyapunov函数分析使机械臂关节轨迹的指数稳定,从而解决了数据漂移的问题;同时本专利技术实现了根据任务优先级的不同分别设计机械臂关节轨迹,并且进而根据不同的任务与闭环逆运动学控制结合得到机械臂关节轨迹。更进一步的,在最小化姿态干扰的任务,即在单任务的情形,在此任务情形下建立机械臂关节轨迹和机械臂关节运动轨迹。更进一步的,在同时考虑末端执行器的任务以及最小化基座干扰的任务,即在多任务的情形,考虑了机械臂末端执行器的任务为主任务的情形下建立机械臂关节轨迹和机械臂关节运动轨迹。附图说明图1为本专利技术的闭环逆运动学控制原理图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术的技术方案进一步说明。空间机器人系统由多个单自由度关节构成的机械臂系统、2自由度转动天线以及搭载机械臂系统的基座组成,假设机械臂共有n个关节,那么空间机器人系统共有n+3个可以运动的部件,由于基座的运动自由度为6,因此,整个系统的自由度为n+8。对于空间机器人系统,为了减少能量消耗,在机械臂运动过程中,不启用基座的姿轨控系统,因此整个系统是一个自由漂浮系统,且满足动量守恒定律。据此本专利技术的基本步骤包括:首先,根据空间机器人的构型建立其多体动力学模型,并在此基础上分析机械臂、天线与基座的动量守恒问题;其次,考虑任务优先级,基于动态均衡控制和零反作用空间,设计空间机械臂的轨迹用于协调空间机械臂末端执行器的任务与抑制卫星基座姿态干扰;最后,基于上述分析,设计空间机械臂闭环逆运动学控制律,解决基座姿态抑制中由于误差积累逐渐增大的问题。本专利技术利用机械臂抑制航天器基座姿态干扰的方法,包括以下步骤:步骤1,空间机器人系统包括n+3个运动部件,其中3为机械臂、天线与基座,n为可增加的其他运动部件,n可以为0;参考Lagrange力学体系,空间机器人系统的动力学方程可以表示如下:其中,Hb,Hm,Ha分别表示基座、机械臂、天线的惯量矩阵;Hbm,Hba表示机械臂与基座,天线与基座之间的动力学耦合矩阵,cb,cm,ca表示基座、机械臂、天线的科里奥利力和离心力;τm,τa表示机械臂、天线关节电机的控制力矩;fb,fe分别表示作用于基座与机械臂末端执行器的广义外力;Jb,Je为基座和末端执行器的Jacobian矩阵。当没有外力作用在末端执行器本文档来自技高网
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一种利用机械臂抑制航天器基座姿态干扰的方法

【技术保护点】
一种利用机械臂抑制航天器基座姿态干扰的方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤1,建立空间机器人系统的动力学模型:

【技术特征摘要】
1.一种利用机械臂抑制航天器基座姿态干扰的方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤1,建立空间机器人系统的动力学模型:其中Hb,Hm,Ha分别表示基座、机械臂和天线的惯量矩阵;Hbm,Hba分别表示机械臂与基座,天线与基座之间的动力学耦合矩阵;cb,cm,ca表示基座、机械臂、天线的科里奥利力和离心力;τm,τa分别表示机械臂、天线关节电机的控制力矩;fb,fe分别表示作用于基座与机械臂末端执行器的广义外力;Jb,Je为基座和末端执行器的Jacobian矩阵;依据角动量守恒定律得到空间机器人系统的角动量为:其中Is∈R3×3为空间机器人的惯量矩阵,Ibm∈R3×n和Iba∈R3×2为机械臂与基座、天线与基座的耦合惯量矩阵;步骤2,设计动态平衡状态下的机械臂关节轨迹,其中包括最小化姿态干扰的任务和同时考虑末端执行器任务以及最小化基座干扰任务两种情形;步骤3,设计机械臂关节速度的闭环逆运动学控制为:其中和分别表示末端执行器的位置和姿态偏差,为一个正定控制增益矩阵,δxe为跟踪误差,其中KP的各个元素值越大,δxe的范数越小;并且根据步骤2中最小化姿态干扰的任务和同时考虑末端执行器任务以及最小化基座干扰任务两种不同的情形,结合上述闭环逆运动学控制设计机械臂关节运动轨迹。2.根据权利要求1所述的利用机...

【专利技术属性】
技术研发人员:王明明罗建军袁建平朱战霞
申请(专利权)人:西北工业大学西北工业大学深圳研究院
类型:发明
国别省市:陕西,61

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