一种适用于空间机器人执行器故障下的快速姿态稳定方法技术

本发明专利技术公开了一种适用于空间机器人执行器故障下的快速姿态稳定方法，在建立系统动力学模型基础上，获得逆动力学模型，并针对其特性获得给定基座姿态运动条件下的控制力矩与机械臂关节运动之间的关系。考虑到执行机构出现故障与输出力矩幅值、方向限定的问题，确定系统稳定所需经过的平衡姿态，使得在此姿态下控制力矩能够平衡系统角动量。考虑到基座初始的运动状态与平衡姿态，结合约束，获得基座在整个稳定过程中的姿态角变化，输入到控制模型中，获得相应的执行机构工作状况与机械臂各关节转动规律。相比较于传统的考虑执行器故障的控制方法，本方法首次实现了在只能提供单轴力矩下的基座稳定控制，且整个稳定过程所消耗的时间大幅减少。

A fast attitude stabilization method for space robot manipulator failures

The invention discloses a method for space robot actuator fault fast attitude stabilization method based on system dynamics model, inverse dynamics model, and obtain the relation between a given motion of the base attitude control under torque and the manipulator joint motion according to its characteristics. Considering the faults of actuator and the magnitude and direction limitation of output torque, the equilibrium attitude required for system stability is determined, so that the control torque can balance the angular momentum of the system under this attitude. Considering the motion state and balance posture, base initial binding constraints, obtained the base in the whole stability in the process of the change of the attitude angle, input to the control model, obtaining the corresponding actuator with each arm joint rotation law. Compared with the traditional control method considering actuator failures, this method has achieved the stability control of a pedestal for the first time, which can only provide the single axle torque, and the time spent in the whole stability process is greatly reduced.

【技术实现步骤摘要】
一种适用于空间机器人执行器故障下的快速姿态稳定方法
本专利技术涉及航天领域的空间在轨服务技术，具体涉及一种适用于空间机器人执行器故障下的快速姿态稳定方法。
技术介绍
航天器在轨服务的对象多种多样，其中动力失效的卫星或空间碎片占据很大比例。对于此类目标，由于自身残余角动量的存在，往往处于旋转状态。当空间机器人抓捕之后，包含机器人与目标的整个系统也将处于旋转状态，此时若无法实现基座姿态的快速稳定，将降低系统性能甚至可能导致机器人解体。为满足通信等任务的需求，空间机器人姿态具有指向性要求。在空间机器人执行任务期间，存在着姿态控制系统出现故障的情形，此时若按照原有的姿态稳定算法将可能导致基座失稳甚至解体。因此研究空间机器人在执行器出现故障下的基座姿态快速稳定算法是十分必要的。对于空间机器人而言，整个系统的转动惯量与系统构型息息相关。若按照传统考虑姿态单体系统的姿态稳定算法，将有可能导致控制器性能的降低，甚至发生失稳现象。在捕获碎片之后，由于系统自身质心的改变，将使得其相对于自身质心的转动惯量非常大，而姿态控制系统所输出的控制力矩幅值往往较小，此时即使控制率能够实现基座稳定，但整个稳定过程的调节时间非常长。目前最常用的考虑执行器故障下的姿态稳定方法是考虑物体三轴姿态运动之间的耦合效果，通过控制两轴的角运动进行控制来实现整个系统的三轴稳定。这种控制方法对于系统的转动惯量存在着约束，且整个过程调节时间长，需要喷气发动机消耗大量燃料，这将缩短系统运行周期，增加任务成本。同时现有研究成果只能解决姿态控制系统提供两轴力矩的情况，对于只能提供单轴力矩的情形，仍然没法实现基座的稳定。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种适用于空间机器人执行器故障下的快速姿态稳定方法，以克服上述现有技术存在的缺陷，本专利技术利用了空间机器人机械臂的冗余度与运动和基座运动之间的耦合效应，能够实现在姿态控制系统仅能提供单轴力矩情况下的基座姿态快速稳定，相比较于传统针对单体系统的动力学建模方法，能够加快收敛速度，同时也能够减少燃料的消耗。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种适用于空间机器人执行器故障下的快速姿态稳定方法，包括如下步骤：1)利用递推法建立捕获目标之后的空间机器人系统动力学模型；2)对所建立的动力学模型进行变量分离，得到逆动力学模型；3)通过对逆动力学模型进行处理得到机械臂运动与控制力矩之间的协调控制模型；4)将设计的基座姿态运动角加速度与规划的控制力矩信息输入到协调控制模型中，最后根据基座始末状态及平衡姿态，利用协调控制模型规划出基座与机械臂运动轨迹。进一步地，步骤1)具体为：将基座与惯性系的连接假设成一个六自由度虚铰，其中三个表示转动，三个表示平动，这样包括基座在内的整个空间机器人系统由若干个铰连接组成，将各个铰坐标选取为系统广义坐标，利用递推型多体系统动力学建模方法，结合系统参数，建立捕获旋转目标之后的系统动力学模型，其表达式为：其中，Z表示系统广义质量阵，z表示系统广义力向量，表示系统广义坐标的二阶导数，u表示各个铰对应的控制力元；广义质量阵与广义力向量具体表达式为：Z＝αT·mα+βT·J·βz＝αT·(F0-mw)+βT·(M0-J·σ-ε)+Fτq(2)其中，α和β为系统基座与机械臂之间的铰接方式及其上铰点位置相关的运算表达式，m和J皆为对角矩阵，其中m对角元为各个物体质量，J对角元为各个物体在惯性系下的转动惯量，F0为基座与机械臂各关节所受外力组成的列向量，M0为基座与机械臂各关节所受外力矩组成的列向量，w表示由于基座与机械臂各关节运动而产生的惯性力，σ和ε表示由于基座与机械臂各关节平动和转动所引起的惯性力矩，Fτq表示各个铰之间的约束力元。进一步地，包括基座在内的整个空间机器人系统由七个关节铰及基座与惯性系之间的一个六自由度虚铰组成。进一步地，步骤2)及步骤3)具体为：对所建立的动力学模型(1)，将控制力矩当作未知量，铰运动规律当作已知量，进行变量替换，得到逆动力学模型，其具体表达式为：其中，ui表示i号铰对应的约束力元，zi表示i号铰对应的广义力分量，Zi,j表示广义质量阵第i行第j列元素；对于基座而言，其所对应的铰为基座与惯性系之间所连接的六自由度虚铰，对应的铰关节控制力为基座所受的外力与外力矩，相应的量在广义力向量z中已考虑，因此u1≡0，则此时具有式(4)：对于式(4)，将已知量移至等式左边，则其改写成式(5)的形式：Hx＝b(5)则方程(5)对应的解为：x＝H+b+(E-H+H)ξ(6)式(6)即为机械臂运动与控制力矩之间的协调控制模型，其中，x表示需要确定的转动关节角加速度，H+表示矩阵H的广义逆，E表示对应维数的单位矩阵，ξ表示对应维数的任意列向量。进一步地，步骤4)具体为：通过机械臂的运动实现对控制力矩的补偿作用，使得空间机器人基座姿态实现快速稳定，对于喷气发动机，其产生的控制力矩相对于基座本体系方位保持不变，方向为正方向或反方向，采用式(7)进行描述：Min＝AbodyMbody(7)其中，Min表示在惯性系下的控制力矩，Abody表示基座方向余弦阵，Mbody表示本体系下的控制力矩；通过式(7)能够得到平衡姿态时基座的方向余弦阵，继而得到对应的欧拉角，确定基座平衡姿态之后，对基座运动、机械臂运动与执行器工作时间进行规划。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：空间机器人机械臂运动与基座姿态运动之间存在着强耦合，传统方法往往将这种耦合特性视作为一种干扰而进行抑制，本专利技术在系统逆动力学模型基础上，通过利用这种耦合效果，能够实现在姿态控制系统仅能提供单轴力矩情况下的基座姿态快速稳定，相比较于传统针对单体系统的动力学建模方法，能够加快收敛速度，同时也能够减少燃料的消耗，实现机器人基座姿态在喷气发动机部分失效下的快速稳定。附图说明图1为协调控制仿真模型；其中，1-7均为关节铰；图2为情况一，基座姿态欧拉角变化；图3为情况一，关节铰1-4角速度变化；图4为情况一，关节铰5-7角速度变化；图5为情况二，基座姿态欧拉角变化；图6为情况二，关节铰1-4角速度变化；图7为情况二，关节铰5-7角速度变化。具体实施方式下面对本专利技术作进一步详细描述：本专利技术要解决的技术问题是在在考虑执行器故障下空间机器人捕获旋转目标之后的基座姿态快速稳定。其主要原理在于：首先利用递推法建立捕获目标之后的空间机器人系统动力学模型，然后得到系统逆动力学模型，通过对模型进行处理得到机械臂运动与控制力矩之间的协调控制模型，将设计的基座姿态运动角加速度与规划的控制力矩信息输入到控制模型中，考虑到喷气发动机所产生控制力矩相对基座本体系方向固定的工作特点，对应控制力矩能够消除系统角动量的平衡姿态，最后根据基座始末状态及平衡姿态，利用协调控制模型规划出基座与机械臂运动轨迹。机械臂由电机驱动，现有的电机控制回路具有很好的跟踪效果，能够使电机按照所设计的规律进行运动。相比较于传统空间机器人领域中的减小机械臂对基座干扰的控制策略，本方法利用了空间机器人机械臂的冗余度与运动和基座运动之间的耦合效应，能够实现在姿态控制系统仅能提供单轴力矩情况下的基座姿态快速稳定。相比较于传统针对单体系统的动力学建模方法，能够加快收敛速度，同时也能够减少燃料的消耗。本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于空间机器人执行器故障下的快速姿态稳定方法，其特征在于，包括如下步骤：1)利用递推法建立捕获目标之后的空间机器人系统动力学模型；2)对所建立的动力学模型进行变量分离，得到逆动力学模型；3)通过对逆动力学模型进行处理得到机械臂运动与控制力矩之间的协调控制模型；4)将设计的基座姿态运动角加速度与规划的控制力矩信息输入到协调控制模型中，最后根据基座始末状态及平衡姿态，利用协调控制模型规划出基座与机械臂运动轨迹。

【技术特征摘要】
1.一种适用于空间机器人执行器故障下的快速姿态稳定方法，其特征在于，包括如下步骤：1)利用递推法建立捕获目标之后的空间机器人系统动力学模型；2)对所建立的动力学模型进行变量分离，得到逆动力学模型；3)通过对逆动力学模型进行处理得到机械臂运动与控制力矩之间的协调控制模型；4)将设计的基座姿态运动角加速度与规划的控制力矩信息输入到协调控制模型中，最后根据基座始末状态及平衡姿态，利用协调控制模型规划出基座与机械臂运动轨迹。2.根据权利要求1所述的一种适用于空间机器人执行器故障下的快速姿态稳定方法，其特征在于，步骤1)具体为：将基座与惯性系的连接假设成一个六自由度虚铰，其中三个表示转动，三个表示平动，这样包括基座在内的整个空间机器人系统由若干个铰连接组成，将各个铰坐标选取为系统广义坐标，利用递推型多体系统动力学建模方法，结合系统参数，建立捕获旋转目标之后的系统动力学模型，其表达式为：其中，Z表示系统广义质量阵，z表示系统广义力向量，表示系统广义坐标的二阶导数，u表示各个铰对应的控制力元；广义质量阵与广义力向量具体表达式为：Z＝αT·mα+βT·J·βz＝αT·(F0-mw)+βT·(M0-J·σ-ε)+Fτq(2)其中，α和β为系统基座与机械臂之间的铰接方式及其上铰点位置相关的运算表达式，m和J皆为对角矩阵，其中m对角元为各个物体质量，J对角元为各个物体在惯性系下的转动惯量，F0为基座与机械臂各关节所受外力组成的列向量，M0为基座与机械臂各关节所受外力矩组成的列向量，w表示由于基座与机械臂各关节运动而产生的惯性力，σ和ε表示由于基座与机械臂各关节平动和转动所引起的惯性力矩，Fτq表示各个铰之间的约束力元。3.根据权利要求2所述的一种适用于空间机器人执行器故障下的快速姿态稳定方法，其特征在于，包括基座在内的整个空间机器人系统由七个关节铰及基座与惯性系之间的一个六自由度虚铰组成。4.根据权利要求2所述的一种适用于空间机器人执行器故障下的快速姿态稳定方法，其特征在于，步骤2)及步骤3)具体为：对所建立的动力学模型(1)，将控制力矩当作未知量，铰运动规律当作已知量，进行变量替换，得到逆动力学模型，其具体表达式为：

【专利技术属性】
技术研发人员：代洪华，张滕，马川，岳晓奎，袁建平，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61