一种针对空间非合作目标非完全约束组合体的动力学建模方法技术

本发明专利技术涉及一种空间非合作目标非完全约束组合体的动力学建模方法，属于航空航天技术领域。该方法包括四个步骤：首先，对机械臂末端和被抓捕目标分别建模；然后，定义机械臂和目标之间的接触为一个多模式的单边约束问题；接着，将机械臂和被抓捕目标的动力学方程与二者之间的连接模式模型进行集成和整合，得到一种基于多模式切换的组合体紧凑动力学模型；最后，进行动力学积分，求出系统的运动轨迹。本发明专利技术弥补了现有建模方法无法准确反映系统整体运动特性的不足，为相关研究提供了理想的动力学模型，该模型能够准确识别机械臂末端与被抓捕目标之间的连接运动模式且相关参数能够直接通过传感器测得，具有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种针对空间非合作目标非完全约束组合体的动力学建模方法
本专利技术涉及航空航天
,尤其涉及一种空间非合作目标非完全约束的动力学建模方法。
技术介绍
据专利技术人了解，空间非合作目标抓捕技术是空间组装、空间碎片清除、在轨维修服务、空间攻防等多种任务需求的基础，是航天大国争相发展且必须突破的关键技术。美国、欧洲、俄罗斯、日本等国家和地区均对这一技术进行了大量理论研究和型号任务实验，如ESA的eDeorbit卫星，美国的OctArm和日本的TAKO等，此外，还包括欧洲的EPOS和美国的DEOS等进行的地面机械臂验证系统研究。实际抓取空间非合作目标难度大、风险高，半物理实验和虚拟抓捕是验证抓捕策略和控制器的必要手段。由于非合作目标的形状和几何特征难以确定，抓取过程中的接触碰撞过程复杂，使得空间机械臂动力学与控制的研究进展较为缓慢。在机械臂与目标之间的接触动力学建模方面，空间机械臂还处于初步摸索阶段，研究重点主要聚焦于抓捕过程中的碰撞阶段。如何提高机械臂与非合作目标的接触动力学模型的描述精度、完备性是亟待解决的技术难题。在先技术[1]采用显性表达式的方法，直接将碰撞过程中的接触力关于时间的表达式给出，再根据牛顿第三定律，分别对机械臂和目标的运动做研究。在先技术[2]中，接触力被视为隐含的数学联系，直接将机械臂和目标的动力学方程联立，消去公式中的接触力，从而对整个组合体进行研究。这两种思路都无法准确地描述机械臂与目标之间可能存在的相对滑动和扭动，更无法根据计算摩擦力和相对的运动趋势，无法判断任意时刻系统的运动模式，因此无法准确描述系统的整体运动特性。在先技术[3]中，机械臂与目标之间的滑动被引入到空间自由漂浮环境之下。由于没有固定的基座，重力支撑等，数学模型的建立变得更加复杂，滑动摩擦力对机械臂和目标的运动影响也更加明显。在先技术[4]中采用的是补偿函数的方式来描述机械臂与目标之间的固连-滑动模型的互相切换，这一技术的缺陷主要在于工程实现困难：补偿函数是个抽象的概念，没有几何或物理含义，也无法通过传感器测量，对控制器设计提供的指导较为有限。参考文献[1]LongZhang,QingxuanJia,GangChen,etal.Impactanalysisofspacemanipulatorcollisionwithsoftenvironment,IndustrialElectronicsandApplications(ICIEA),2014IEEE9thConference,9-11June2014,HangZhou,China[2]ShuanfengXu,HanleiWang,DuzhouZhang,etal.AdaptiveReactionlessMotionControlforFree-FloatingSpaceManipulatorswithUncertainKinematicsandDynamics,3rdIFACInternationalConferenceonIntelligentControlandAutomationScience.September2-4,2013.Chengdu,China[3]Hu,T.,Wang,T.,Li,J.,etal.GradientProjectionofWeihtedJacobianMatrixMethodforInverseKinematicsofaSpaceRobotwithaControlled-FloationBase.JournalofDynamicSystems,MeasurementandControl.Vol.139,No.5,2017,pp.124-140[4]Hu,T.,Wang,T.,Li,J.,ModelingandSimulationofSpaceRobotwithUnilateralContactBasedonComplementaryProblem,ActaScientiarumNaturaliumUniversitatisPekinensis,Vol.52,No.4,2016,pp.627-633
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述在先技术的不足，提出一种能够准确识别机械臂末端与目标之间的连接模式、准确描述系统在多种运动模式下整体的运动特性且动力学模型相关参数能够直接通过传感器测得的针对空间非合作目标非完全约束组合体的动力学建模方法。本专利技术的技术方案为：一种针对空间非合作目标非完全约束组合体的动力学建模方法，所述空间非合作目标非完全约束组合体包括如下结构：由机械臂末端抓取机构和机械臂关节组成的机械臂以及被抓捕目标；所述机械臂安装在机械臂基座卫星上；该建模方法包括如下步骤：步骤一，针对所述机械臂和被抓捕目标，分别建立对应的动力学模型并初始化建模参数；步骤二，定义拓展自由度，整合所述机械臂的动力学模型和被抓捕目标的动力学模型；步骤三，根据输出的控制力和控制力矩，判断所述机械臂与被抓捕目标之间的相对运动趋势并定义所述机械臂和被抓捕目标的广义加速度；步骤四，对得到的所述机械臂的广义加速度进行动力学积分，求出所述组合体的运动曲线。本专利技术的有益效果在于：本专利技术的建模方法基于拓展自由度，所建的数学模型较为简单。在正常模式下，该模型与传统刚性组合体模型有着一致的动力学响应，而在控制力或控制力矩较大，静摩擦力无法维持固连时，该模型还能够准确计算出机械臂与目标之间的相对滑动和扭动，因而对于系统整体运动特性的模拟更加准确。此外，该模型的所有参数可通过传感器直接测得，数据准确且具有实际意义，从而为控制器的设计指导提供了便利。附图说明图1是本专利技术的拓展自由度的几何定义和仿真测试场景图；图2是本专利技术算法流程图；图3是本专利技术模型的刚性模式测试结果；图4是本专利技术脉冲响应测试结果；图5是本专利技术姿态控制器相应测试结果；图1中：1-机械臂卫星太阳帆板；2-机械臂基座卫星；3-机械臂末端抓取机构；4-被抓捕目标；5-机械臂关节；l-滑动自由度；θ-转动自由度；f-滑动自由度；L-定值，目标质心与被抓捕目标质心位置至抓捕点位置切线方向延长线的垂线同延长线交点的距离。具体实施方式结合附图对本专利技术的实施方式作详细说明。本专利技术的针对空间非合作目标非完全约束组合体的动力学建模方法的步骤为：第一步：建立如图1所示的仿真场景，图中，左侧为仿真场景俯视图，右侧为仿真场景主视图，右下角为机械臂末端3与被抓捕目标4之间的连接位置放大图；所述空间非合作目标非完全约束组合体包括如下结构：由机械臂末端抓取机构3和机械臂关节5组成的机械臂以及被抓捕目标4；机械臂卫星太阳帆板1安装在机械臂基座卫星2上，为所述机械臂提供动力源；所述机械臂也安装在机械臂基座卫星2上，机械臂基座卫星2作为所述机械臂的基座，为所述机械臂提供支撑；机械臂末端链接机构3由机械臂关节5控制抓取被抓捕目标4；利用拉格朗日动力学，定义机械臂广义自由度向量q＝[XΨ]T，其中，X表示机械臂基座卫星2的位置姿态，Ψ表示机械臂关节5的角度；利用此向量对所述机械臂进行建模，模型公式为：式中M,D,C均为正定矩阵，其中，M为机械臂广义质量矩阵，D包含广义阻尼参数，C包含科里奥利力参数；F为所述机械臂输出的控制力和控制力矩；d为外界扰本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种针对空间非合作目标非完全约束组合体的动力学建模方法，其特征在于，所述空间非合作目标非完全约束组合体包括如下结构：由机械臂末端抓取机构(3)和机械臂关节(5)组成的机械臂以及被抓捕目标(4)；所述机械臂安装在机械臂基座卫星(2)上；该建模方法包括如下步骤：步骤一，针对所述机械臂和被抓捕目标(4)，分别建立对应的动力学模型并初始化建模参数，其中，被初始化的建模参数至少包括：所述机械臂和被抓捕目标(4)的连接位置在固连模式下所能承受的最大静摩擦力和最大固连扭矩；步骤二，定义拓展自由度，整合所述机械臂的动力学模型和被抓捕目标(4)的动力学模型，其中，所述拓展自由度至少包括：滑动自由度l，表示机械臂末端抓取机构(3)到其与被抓捕目标(4)的连接点的距离；转动自由度θ，表示机械臂末端抓取机构(3)指向方向与被抓捕目标(4)连接点位置切线方向的夹角；滑动自由度f，表示机械臂末端抓取机构(3)与被抓捕目标(4)的连接点到该连接点的切线与被抓捕目标(4)质心垂线交点的距离；步骤三，根据输出的控制力和控制力矩，判断所述机械臂与被抓捕目标(4)之间的相对运动趋势并定义所述机械臂和被抓捕目标(4)的广义加速度；步骤四，对得到的所述机械臂的广义加速度进行动力学积分，求出所述组合体的运动曲线。...

【技术特征摘要】
1.一种针对空间非合作目标非完全约束组合体的动力学建模方法，其特征在于，所述空间非合作目标非完全约束组合体包括如下结构：由机械臂末端抓取机构(3)和机械臂关节(5)组成的机械臂以及被抓捕目标(4)；所述机械臂安装在机械臂基座卫星(2)上；该建模方法包括如下步骤：步骤一，针对所述机械臂和被抓捕目标(4)，分别建立对应的动力学模型并初始化建模参数，其中，被初始化的建模参数至少包括：所述机械臂和被抓捕目标(4)的连接位置在固连模式下所能承受的最大静摩擦力和最大固连扭矩；步骤二，定义拓展自由度，整合所述机械臂的动力学模型和被抓捕目标(4)的动力学模型，其中，所述拓展自由度至少包括：滑动自由度l，表示机械臂末端抓取机构(3)到其与被抓捕目标(4)的连接点的距离；转动自由度θ，表示机械臂末端抓取机构(3)指向方向与被抓捕目标(4)连接点位置切线方向的夹角；滑动自由度f，表示机械臂末端抓取机构(3)与被抓捕目标(4)的连接点到该连接点的切线与被抓捕目标(4)质心垂线交点的距离；步骤三，根据输出的控制力和控制力矩，判断所述机械臂与被抓捕目标(4)之间的相对运动趋势并定义所述机械臂和被抓捕目标(4)的广义加速度；步骤四，对得到的所述机械臂的广义加速度进行动力学积分，求出所述组合体的运动曲线。2.根据权利要求1所述的针对空间非合作目标非完全约束组合体的动力学建模方法，其特征在于，步骤一中，利用拉格朗日动力学，定义机械臂广义自由度向量q＝[XΨ]T，其中，X表示机械臂基座卫星(2)的位置姿态，Ψ表示机械臂关节(5)的角度；利用此向量对所述机械臂进行建模，模型公式为：式中M,D,C均为正定矩阵，其中，M为机械臂广义质量矩阵，D包含广义阻尼参数，C包含科里奥利力参数；F为所述机械臂输出的控制力和控制力矩；d为外界扰动力和扰动力矩；对被抓捕目标(4)进行动力学建模，模型公式为：式中,m为被抓捕目标(4)的质量，J为被抓捕目标(4)的转动惯量，a代表加速度，β代表角加速度，Ct矩阵包含目标非线性科里奥利力信息，T为连接处力矩，r为抓捕点在被抓捕目标(4)本体坐标系下的坐标位置；根据所述机械臂与被抓捕目标(4)的连接位置的材料及几何特性，定义抓捕点所能够提供的最大静摩擦力和最大静扭矩并写成向量形式，定义为最大广义力向量δmax。3.根据权利要求1或2所述的针对空间非合作目标非完全约束组合体的动力学建模方法，其特征在于，步骤二中，通过机械臂末端抓取机构(3)和抓捕位置的几何特征，定义所述三个拓展自由度；计算固定连接时所述机械臂和被抓捕目标(4)的连接点的静摩擦力和静扭矩，并将所述静摩擦力和静扭矩写成向量形式，定义为需求广义力向量δneeded；利用所述三个拓展自由度将所述机械臂的动力学模型和被抓捕目标(4)的动力学模型整合，得到所述组合体的动力学模型。4.根据权利要求3所述的针对空间非合作目标非完全约束组合体的动力学建模方法，其特征在于，利用所述拓展自由度给出被抓捕目标(4)质心相对于所述机械臂的末端的位置，公式为：其中,f(q)为所述机械臂的末端位置矩阵,Q(q)为所述机械臂的末端的姿态矩阵，可以直接通过机械臂广义自由度向量q求出；对这一位置公式求导，定义与所述需求广义力向量δneeded对应的拓展自由度向量qgxt＝[lfθ]T，将该拓展自由度向量集成进入所述机械臂的动力学模型公式，将所述机械臂广义自由度向量q与所述拓展自由度分别列出，得到所述组合体整体的拉格朗日动力学模型公式：其中，next为拓展后的外界扰动向量，Mex为对应的拓展自由度的广义质量矩阵，Dex为对应的拓展自由度的广义阻尼矩阵，Cex为对应的拓展自由度的广义科里奥利力矩阵；Mc,Dc为机械臂广义自由度和拓展自由度之间的耦合矩阵。5.根据权利要求1或4所述的针对空间非合作目标非完全约束组合体的动力学建模方法，其特征在于，步骤三中，假设被抓捕目...

【专利技术属性】
技术研发人员：李爽，佘宇琛，李文丹，余萌，龚柏春，杨洪伟，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32