一种适合空间绳系机器人逼近目标过程中的燃料最优位姿协调方法技术

本发明专利技术提供了一种适合空间绳系机器人逼近目标过程中的燃料最优位姿协调方法，步骤1：建立系统的动力学模型；步骤2：系统的动力学模型的离散；步骤3：规划最优轨迹控制信号；步骤4：协调最优控制器通过空间绳系机器人系统真实的状态信号x与步骤3计算出的理想状态信号x*做差后得到误差信号，将误差信号与时变增益协调系数矩阵KN相乘得到偏差控制信号，该偏差控制信号与步骤3计算出的理想状态信号x*相加得到控制信号，以此实现协调控制。

【技术实现步骤摘要】
一种适合空间绳系机器人逼近目标过程中的燃料最优位姿协调方法
：本专利技术隶属于航天器控制技术研究领域，涉及到一种低燃料消耗的空间绳系机器人位姿协调控制方法，该控制方法可以应用于空间绳系机器人逼近过程的控制中。
技术介绍
：绳系机器人由于其灵活、安全、燃料消耗低等特点，在空间在轨服务中有着广泛的作用，其中对失效卫星救助、太空垃圾清理等进行抓捕是其主要应用。这些任务的实现都有赖于机器人对于目标的精确逼近，因此逼近过程中的有效控制方法是绳系机器人的主要研究内容之一。空间机器人在逼近目标过程中，由于末端机器人的重量非常有限，因此它自身的燃料非常有限，因此有必要利用系绳上和推力器对末端机器人的位置和姿态进行协调控制。但由于系绳上的拉力对于机器人的姿态有着巨大的影响，传统将位置和姿态分开进行控制的方案容易导致末端机器人姿态的不稳定，不施加控制甚至会发生系绳缠绕，因此，需要在绳系机器人逼近过程中对其位置和姿态进行协调的一体化控制。
技术实现思路
：本专利技术的目的在于提供一种适合空间绳系机器人逼近目标过程中的协调控制方法，该控制方法可以减少燃料消耗，保证姿态稳定，并且一定程度弥补推力器推力不足等特点。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种适合空间绳系机器人逼近目标过程中的燃料最优位姿协调方法，包括以下步骤：步骤1：建立系统的动力学模型假设空间平台的质量远大于空间系绳和末端机器人的质量，忽略空间系绳和末端机器人运动对于空间平台的影响，空间绳系机器人系统的质心与空间平台的质心重合，且运动在近圆形的开普勒轨道上，另外，忽略空间绳系机器人系统的面外运动和滚转运动，则系统的动力学模型为：其中，μ表示系绳的线密度，l0表示释放出的系绳长度，表示系绳上点的机动加速度，表示以归一化坐标描述的位置向量，表示系绳中的张力矢量，表示张力矢量的模，表示系绳上某一点处切向量的模，为归一化坐标，ξ为空间平台的释放/回收机构出口处系绳的自然坐标，Na表示由于系绳释放和回收造成的附近阻尼力，NP为作用在系绳上的控制力，mB和JB分别表示末端操作机构的质量和转动惯量，FB和MB分别表示作用在末端操作机构上的控制力和控制力矩；AB表示末端操作机构的机动加速度；其中，以系绳存放在空间平台中的那一端为系绳自然坐标计算的起点；步骤2：系统的动力学模型的离散步骤3：规划最优轨迹控制信号性能指标为：其中，dM表示力臂的长度空间绳系机器人系统在逼近过程中的动力学约束条件：空间绳系机器人系统在逼近过程中的边界约束条件：x(0)＝x0,x(tf)＝xf在满足约束条件的情况下，以性能指标为目标，利用hp自适应伪谱算法求解出最优轨迹(x*,u*)；步骤4：协调最优控制器通过空间绳系机器人系统真实的状态信号x与步骤3计算出的理想状态信号x*做差后得到误差信号将误差信号与时变增益协调系数矩阵KN相乘得到偏差控制信号该偏差控制信号与步骤3计算出的理想状态信号x*相加得到控制信号，以此实现协调控制。在步骤1中，位置向量满足：满足在步骤1中，Na满足：在步骤1中，AB满足：其中，ω表示系统运行的轨道角速度。在步骤1中，满足其中，加速度分量和满足：步骤2的具体方法为：通过线形单元的离散得到空间绳系机器人系统的运动满足：其中，等效质量m*和等效转动惯量I*满足：I*＝IR+mBd2，等效力和等效力矩满足：考虑到系绳的应变近似为0且张力是均匀分布的，因此，认为系绳的张力满足根据系绳的张力满足条件和空间绳系机器人系统的运动所满足的条件得到空间绳系机器人系统的简化模型：其中，状态变量为：控制变量为：u＝[NP,FBx,FBz,MB]T。步骤4中的协调最优控制器根据以下方法设计：空间绳系机器人系统的性能指标为：空间绳系机器人系统的状态方程和边界条件为：引入Hamilton函数：通过变分计算可得协态方程为：满足的最优控制输入为：根据最优性的必要条件可知，最优解满足方程：和边界条件：使用τ代替t并对空间绳系机器人系统满足的状态方程和边界条件以及Hamilton函数进行改性，得到式中，采用LGL点作为插值离散点，设LN为区间[-1,1]上的N阶Legendre多项式，PN＝{τ0,…,τN}为[-1,1]内按递增顺序排列的N阶LGL点集，其中，τ0＝-1，τN＝1，τ1…τN-1为多项式的根，则空间绳系机器人系统的状态变量和协态变量可插值近似为：式中，同时，在LGL点τk处状态变量微分和协态变量微分利用插值多项式近似为：式中，D表示(N+1)×(N+1)维的矩阵，满足：其中，k＝0和l＝0分别表示微分矩阵D的第一行和第一列，将公式代入得到其中，X、Λ和U为6(N+1)维的列向量，满足：矩阵Mxx、Mxλ和Mλλ为6(N+1)×6(N+1)维的分块矩阵，其分块满足：矩阵P为6×6(N+1)维的矩阵，满足：P＝[06×6,…,06×6,I6]，将公式写成矩阵形式：VZ＝Y，其中，将矩阵V分成可得其中，V0和Ve分别表示矩阵V的前6列和其它所有列，列向量Ze表示向量Z的后12(N+1)行。由(58)式求解Ze的最小二乘解为：构造中间变量取出中间变量的6N+1～6N+6行，得到式中，系数矩阵Kλ表示矩阵的6N+1～6N+6行，定义时变增益协调系数矩阵KN，令则控制量为：将t0设置为系统当前运行的时刻t，令t1＝min{t0+10,tf}，即可得到协调控制器。与现有技术相比，本专利技术具有如下积极效果：1、采用了利用系绳和推力器进行协调控制，节省了燃料消耗。系绳可以提供较大的力，从而产生比机器人自身大得多的位置控制力，再结合自身的推力进行姿态控制，和传统的仅仅利用空间机器人自身推力器进行控制相比，燃料消耗较少。2、采用了新型的位姿耦合动力学模型来设计协调控制器，给出了一种位姿一体化的协调控制方案，相对传统位姿分离控制的方案，避免了系绳对于机器人姿态的过大影响，保证了系统姿态的稳定。附图说明图1为空间绳系机器人系统示意图。图2为空间绳系机器人系统简化示意图。图3为释放/回收机构示意图。图4闭环控制系统结构图。具体实施方式以下针对附图对本专利技术做详细阐述：(1)位姿耦合动力学模型的建立针对如图1所示的空间绳系机器人系统(包括空间平台1、空间系绳3、以及末端操作机构5)，假设空间平台1的质量远大于空间系绳3和末端机器人的质量，从而忽略空间系绳和末端机器人运动对于空间平台1的影响，因而可将空间平台1简化为一个质点，并假设空间绳系机器人系统的质心与空间平台1的质心重合，且运动在近圆形的开普勒轨道上，另外，忽略空间绳系机器人系统的面外运动和滚转运动，从而得到如图2所示的系统简化示意图，图中，Pxoyozo表示平台轨道坐标系，BxByBzB表示末端机器人本体坐标系。引入空间系绳的自然坐标s，它表示系绳未变形时，系绳上某一点与系绳某一端点之间的绳段长度，为了便于计算，本专利取系绳存放在空间平台中的那一端为系绳自然坐标计算的起点，并规定ξ(t)表示空间平台的释放/回收机构出口处系绳的自然坐标(也就是系绳与空间平台的连接点随时间变化的自然坐标)，L表示末端操作机构处系绳的自然坐标，即为系绳的总自然长度。对于空间绳系机器人系统的释放/回收机构，本专利将它简化为如图3所示的结构，空间平台中的系绳在张力N(ξ+)和控制力NP的作用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适合空间绳系机器人逼近目标过程中的燃料最优位姿协调方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：建立系统的动力学模型假设空间平台的质量远大于空间系绳和末端机器人的质量，忽略空间系绳和末端机器人运动对于空间平台的影响，空间绳系机器人系统的质心与空间平台的质心重合，且运动在近圆形的开普勒轨道上，另外，忽略空间绳系机器人系统的面外运动和滚转运动，则系统的动力学模型为：其中，μ表示系绳的线密度，l0表示释放出的系绳长度，表示系绳上点的机动加速度，表示以归一化坐标描述的位置向量，表示系绳中的张力矢量，表示张力矢量的模，表示系绳上某一点处切向量的模，为归一化坐标，ξ为空间平台的释放/回收机构出口处系绳的自然坐标，Na表示由于系绳释放和回收造成的附近阻尼力，NP为作用在系绳上的控制力，mB和JB分别表示末端操作机构的质量和转动惯量，FB和MB分别表示作用在末端操作机构上的控制力和控制力矩；AB表示末端操作机构的机动加速度；其中，以系绳存放在空间平台中的那一端为系绳自然坐标计算的起点；步骤2：系统的动力学模型的离散步骤3：规划最优轨迹控制信号性能指标为：其中，dM表示力臂的长度空间绳系机器人系统在逼近过程中的动力学约束条件：空间绳系机器人系统在逼近过程中的边界约束条件：x(0)＝x0,x(tf)＝xf在满足约束条件的情况下，以性能指标为目标，利用hp自适应伪谱算法求解出最优轨迹(x*,u*)；步骤4：协调最优控制器通过空间绳系机器人系统真实的状态信号x与步骤3计算出的理想状态信号x*做差后得到误差信号将误差信号与时变增益协调系数矩阵KN相乘得到偏差控制信号该偏差控制信号与步骤3计算出的理想状态信号x*相加得到控制信号，以此实现协调控制。...

【技术特征摘要】
1.一种适合空间绳系机器人逼近目标过程中的燃料最优位姿协调方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：建立系统的动力学模型假设空间平台的质量远大于空间系绳和末端机器人的质量，忽略空间系绳和末端机器人运动对于空间平台的影响，空间绳系机器人系统的质心与空间平台的质心重合，且运动在近圆形的开普勒轨道上，另外，忽略空间绳系机器人系统的面外运动和滚转运动，则系统的动力学模型为：其中，μ表示系绳的线密度，l0表示释放出的系绳长度，表示系绳上点的机动加速度，δ表示变分运算，表示以归一化坐标描述的位置向量，表示系绳中的张力矢量，表示系绳上一点的速度矢量，表示张力矢量的模，表示系绳上某一点处切向量的模，为归一化坐标，ξ为空间平台的释放/回收机构出口处系绳的自然坐标，Na表示由于系绳释放和回收造成的附近阻尼力，NP为作用在系绳上的控制力，表示系绳与末端操作机构的连接点位置的转置，mB和JB分别表示末端操作机构的质量和转动惯量，FB和MB分别表示作用在末端操作机构上的控制力和控制力矩；表示平台坐标系的xo轴与末端操作机构坐标系xB轴的夹角，表示平台坐标系的xo轴与末端操作机构坐标系xB轴夹角的二阶导数，AB表示末端操作机构的机动加速度；其中，以系绳存放在空间平台中的那一端为系绳自然坐标计算的起点；步骤2：系统的动力学模型的离散步骤3：规划最优轨迹控制信号性能指标为：其中，dM表示力臂的长度，tf表示末端时间，u2、u3、u4分别表示不同控制量；空间绳系机器人系统在逼近过程中的动力学约束条件：其中，u为系统的控制信号，x为空间绳系机器人的状态信号，F为系统的动力学方程；空间绳系机器人系统在逼近过程中的边界约束条件：x(0)＝x0,x(tf)＝xf，其中，x0为系统的初始状态信号，xf为系统的末端状态信号；在满足约束条件的情况下，以性能指标为目标，利用hp自适应伪谱算法求解出最优轨迹(x*,u*)，其中，x*为空间绳系机器人的理想状态信号，u*为空间绳系机器人的理想控制信号；步骤4：协调最优控制器通过空间绳系机器人系统真实的状态信号x与步骤3计算出的理想状态信号x*做差后得到误差信号将误差信号与时变增益协调系数矩阵KN相乘得到偏差控制信号该偏差控制信号与步骤3计算出的理想状态信号x*相加得到控制信号，以此实现协调控制。2.根据权利要求1所述的一种适合空间绳系机器人逼近目标过程中的燃料最优位姿协调方法，其特征在于：在步骤1中，位置向量满足：满足3.根据权利要求1所述的一种适合空间绳系机器人逼近目标过程中的燃料最优位姿协调方法，其特征在于：在步骤1中，Na满足：其中，表示系绳上一点的自然坐标表示对时间的一阶导数。4.根据权利要求1所述的一种适合空间绳系机器人逼近目标过程中的燃料最优位姿协调方法，其特征在于：在步骤1中，AB满足：其中，ω表示系统运行的轨道角速度，zB分别是末端操作机构B在两个方向的加速度分量、速度分量和在z轴方向上的位置分量。5.根据权利要求1所述的一种适合空间绳系机器人逼近目标过程中的燃料最优位姿协调方法，其特征在于：在步骤1中，满足其中，加速度分量和满足：

【专利技术属性】
技术研发人员：黄攀峰，胡仄虹，孟中杰，刘正雄，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61