一种在连续碰撞条件下空间机器人目标抓捕稳定方法技术

本发明专利技术涉及一种在连续碰撞条件下空间机器人目标抓捕稳定方法，采用改变系统闭环极点的方法，提高系统的稳定裕度，保证控制系统的受到短时多次冲击的情况下，仍能保持稳定。采用了基于伪逆的控制力矩分配方法，具有输出分配最优化、输出量平滑并且在任何条件下都有输出量的特点，有效改善了系统的动态性能。本发明专利技术可以广泛应用于空间机械臂机器人目标抓捕及稳定控制方法，该方法可以在连续碰撞条件下实现目标的抓捕稳定并能降低对推力器推力要求，减少燃料消耗，有效实现空间机械臂机器人对目标的抓捕并使抓捕过程安全可靠。

A Target Catching and Stabilizing Method for Space Robots under Continuous Collision Conditions

The invention relates to a target capture and stabilization method of space robot under continuous collision conditions. By changing the closed-loop poles of the system, the stability margin of the system is improved, and the stability of the control system can be maintained even when the system is subjected to short-term multiple shocks. The control moment allocation method based on pseudo inverse is adopted, which has the characteristics of output allocation optimization, output smoothness and output under any conditions, and effectively improves the dynamic performance of the system. The invention can be widely used in target capture and stabilization control method of space manipulator robots. The method can achieve target capture and stabilization under continuous collision conditions, reduce thruster thrust requirements, reduce fuel consumption, effectively realize target capture by space manipulator robots and make the capture process safe. Rely on.

【技术实现步骤摘要】
一种在连续碰撞条件下空间机器人目标抓捕稳定方法
本专利技术属于航天器控制技术研究领域，涉及一种在连续碰撞条件下空间机器人目标抓捕稳定方法，具体涉及一种在连续碰撞条件下的空间机械臂机器人与目标形成复合体的偏差动力学及稳定控制方法。
技术介绍
空间机器人由于其灵活、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，可以进行失效卫星救助、太空垃圾清理、辅助变轨等操作。空间机械臂机器人为空间机器人的一种，其具有较大的工作空间和灵巧的操作性能。根据空间机器人的任务流程，可以分为释放、逼近目标、目标抓捕、目标抓捕后稳定和目标捕获后操作五个阶段，其中抓捕及抓捕后的复合体姿态控制是空间机器人的主要研究之一。空间机器人逼近至目标抓捕位置附近，需要合拢末端执行器对目标进行抓捕，这是空间机器人的核心任务之一。目标抓捕过程中，机器人与目标在抓捕初始阶段，由于目标测量、跟踪误差等影响，存在相对线速度和相对角速度，这会使得目标与机器人的末端抓捕器产生碰撞，因为抓捕器的机械特性，使得合拢需要一定时间，这会导致目标与抓捕器的连续碰撞，整个抓捕过程由于碰撞而变得不稳定，甚至会导致待抓捕目标弹出末端抓捕器乃至空间机器人的损毁，致使抓捕任务失败。因此，有必要对连续碰撞进行合理建模，根据空间机器人与目标所形成复合体的偏差动力学，设计合适的目标抓捕控制方法，保证空间机器人在目标抓捕过程中的稳定控制，从而顺利完成抓捕任务。
技术实现思路
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种在连续碰撞条件下空间机器人目标抓捕稳定方法。技术方案一种在连续碰撞条件下空间机器人目标抓捕稳定方法，其特征在于步骤如下：步骤1、根据抓捕器的设计建立基于Kelvin模型的连续碰撞动力学模型：抓捕的有效范围为直线a0a1、b0b1所形成的包络，当异面直线距离等于0时判定发生了碰撞，当多次满足碰撞条件时，可认为发生了连续碰撞，连续碰撞力为各单次碰撞力求和，采用Kelvin模型对碰撞力建模：式中：kg为接触碰撞刚性系数，kc为接触碰撞阻尼系数，δ为接触面的形变量，为δ的变化率，n为作用在目标上碰撞力的方向向量；末端执行器的碰撞点与空间机器人质心之间的相对位置矢量为dr，则碰撞力产生的碰撞力矩为：Tc＝dr×Fc；步骤2、建立空间机器人与目标的复合航天器动力学模型：复合航天器动力学模型：反作用轮动力学模型：式中：I为复合航天器惯量主轴坐标系中的惯量矩阵，Jw为飞轮组惯量阵Jw＝diag([Jw1,Jw2,Jw3,Jw4])，Ω为飞轮组转速矢量Ω＝[Ω1，Ω2，Ω3，Ω4]T，C为反作用轮构型矩阵，其各列为各反作用轮转轴在复合航天器惯量主轴坐标系中的方向余弦，uw为作用在反作用轮上的力矩；Tc为作用在组合航天器上的碰撞力产生的力矩；ω为复合航天器角速度；复合航天器的姿态角动力学方程为：式中，为复合航天器姿态角，γ为滚转角，ψ为偏航角，为俯仰角。R(θ)为运动学矩阵，具体表示形式为：步骤3、设计改进的SDRE控制方法，提高系统的稳定阈值：增加αE到Riccati方程得到改进的SDRE为：Λ(x)(F(x)+αE)+(F(x)+αE)TΛ(x)-Λ(x)BR-1BTΛ(x)+Q＝0式中：Q是状态加权矩阵，半正定常值矩阵，R是控制加权矩阵，正定常值矩阵基于-α稳定度设计的SDRE最优姿态控制器变为：uc＝-R-1BTΛ(x)x式中：Λ为改进SDRE的解，令控制器的反馈增益为K＝R-1BTΛ(x)，则得到航天器的控制力矩：uc＝-Kx；步骤4、通过空间机器人的反作用轮控制力矩重分配，实现目标抓捕后稳定：按分配关系将组合航天器的控制力矩uc分配到各反作用轮的执行电机uw上去，即：uw＝-Duc定义如下指标使得所要求的控制力矩在反作用轮上分配最优：以新的泛函求解反作用轮的力矩重分配矩阵D＝CT(CCT)-1完成将控制器输出分配到空间机器人反作用轮输入端，实现复合航天器的稳定控制。有益效果本专利技术提出的一种在连续碰撞条件下空间机器人目标抓捕稳定方法，采用改变系统闭环极点的方法，提高系统的稳定裕度，保证控制系统的受到短时多次冲击的情况下，仍能保持稳定。采用了基于伪逆的控制力矩分配方法，具有输出分配最优化、输出量平滑并且在任何条件下都有输出量的特点，有效改善了系统的动态性能。本专利技术可以广泛应用于空间机械臂机器人目标抓捕及稳定控制方法，该方法可以在连续碰撞条件下实现目标的抓捕稳定并能降低对推力器推力要求，减少燃料消耗，有效实现空间机械臂机器人对目标的抓捕并使抓捕过程安全可靠。本专利技术具体拥有以下优点：1.鲁棒性好，抗冲击能力强。本专利技术提出了一种改进的最优控制方法，实现了复合航天器在抓捕碰撞后的姿态稳定控制。该方法引入-α稳定度设计，提高了系统稳定裕度，增强了系统的鲁棒性，避免了因碰撞力矩产生角速度突变所导致的控制力矩输出饱和问题。2.采用反作用轮作为稳定装置，节约了宝贵的推进剂。本专利技术采用基于伪逆的反作用轮控制力矩重分配法，将输出的控制力矩在各个反作用轮间进行最优分配，通过作用轮吸收碰撞力矩，实现碰撞后的复合航天器的稳定控制，采用电力作为能源，相比与采用喷射工质的稳定方法，节约了宝贵的推进剂。3.控制力矩输出平滑、输出值满足工程指标，具备工程实用性。本专利技术采用最优化控制方法，使得输出力矩平滑，反作用轮最大转速为350rpm，小于最大饱和值500rpm，最大姿态偏差为7.054°，最大角速度偏差为0.5566°/s，满足抓捕过程中对基座稳定要求的性能指标，具备工程实用性。4.具备快速计算方法，计算速度快，能够满足实时性要求本专利技术中的最优控制方法可以采用θ-D次最优非线性控制求解，该方法可以得到SDRE的近似解，而且在进行控制系统设计时只需要在初始时刻求解一次Riccati方程，大幅度减少了计算量，满足了控制的实时性要求。附图说明图1为抓捕过程示意图图2为连续碰撞力矩仿真图图3为不同坐标系下反作用轮配置图图4为复合航天器姿态变化曲线图5为合航天器角速度偏差变化曲线图6为反作用轮力矩输出曲线图7反作用轮转速变化曲线具体实施方式现结合实施例、附图对本专利技术作进一步描述：本专利技术所采用的技术方案包括以下步骤：1)根据抓捕器的设计，建立基于Kelvin模型的连续碰撞动力学模型；2)建立空间机器人与目标的复合航天器动力学模型；3)设计改进的SDRE控制方法，提高系统的稳定阈值；4)通过空间机器人的反作用轮控制力矩重分配，实现目标抓捕后稳定。所述步骤1)中，计算连续碰撞动力学模型的具体步骤如下：1-1)：抓捕过程与碰撞分析空间机器人的末端执行器对目标进行抓捕过程中，不可避免的会与目标产生接触与碰撞，抓捕的有效范围为直线a0a1、b0b1所形成的包络，如图1所示，当目标进入抓捕范围后抓捕器会收拢手抓，根据异面直线距离法，判断抓捕器是否与目标发生碰撞，当异面直线距离等于0时判定发生了碰撞，当多次满足碰撞条件时，可认为发生了连续碰撞，连续碰撞力为各单次碰撞力求和。1-2)：采用Kelvin模型对碰撞力建模：式中：kg为接触碰撞刚性系数，与接触物体的弹性模量有关，表现接触物体的外在固有属性；kc为接触碰撞阻尼系数，表现碰撞时能量的耗散情况；δ为接触面的形变量，为δ的变化率，n为作用在目标上碰撞力的方向向本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在连续碰撞条件下空间机器人目标抓捕稳定方法，其特征在于步骤如下：步骤1、根据抓捕器的设计建立基于Kelvin模型的连续碰撞动力学模型：抓捕的有效范围为直线a0a1、b0b1所形成的包络，当异面直线距离等于0时判定发生了碰撞，当多次满足碰撞条件时，可认为发生了连续碰撞，连续碰撞力为各单次碰撞力求和，采用Kelvin模型对碰撞力建模：

【技术特征摘要】
1.一种在连续碰撞条件下空间机器人目标抓捕稳定方法，其特征在于步骤如下：步骤1、根据抓捕器的设计建立基于Kelvin模型的连续碰撞动力学模型：抓捕的有效范围为直线a0a1、b0b1所形成的包络，当异面直线距离等于0时判定发生了碰撞，当多次满足碰撞条件时，可认为发生了连续碰撞，连续碰撞力为各单次碰撞力求和，采用Kelvin模型对碰撞力建模：式中：kg为接触碰撞刚性系数，kc为接触碰撞阻尼系数，δ为接触面的形变量，为δ的变化率，n为作用在目标上碰撞力的方向向量；末端执行器的碰撞点与空间机器人质心之间的相对位置矢量为dr，则碰撞力产生的碰撞力矩为：Tc＝dr×Fc；步骤2、建立空间机器人与目标的复合航天器动力学模型：复合航天器动力学模型：反作用轮动力学模型：式中：I为复合航天器惯量主轴坐标系中的惯量矩阵，Jw为飞轮组惯量阵Jw＝diag([Jw1,Jw2,Jw3,Jw4])，Ω为飞轮组转速矢量Ω＝[Ω1，Ω2，Ω3，Ω4]T，C为反作用轮构型矩阵，其各列为各反作用轮转轴在复合航天器惯量主轴坐标系中的方向余弦，uw为作用在反作用轮上的力矩；Tc为作用在组合航天器上的碰撞力产生...

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