一种细胞卫星吸附式抓捕非合作目标方法技术

本发明专利技术公开了一种细胞卫星吸附式抓捕非合作目标方法。首先是，设计细胞卫星吸附式抓捕机构，吸附机构设计为分布在细胞卫星的某一面上具有类似壁虎爪结构的方形吸盘，以及用于吸附后将非合作目标合作化的对接机构其用于后续对吸附整体的操作。吸附时物理模型建立—二体铰接连杆机构，主要是考虑吸附时单点或单边接触等可能不能稳定吸附的情况。吸附时数学模型构建—利用D‑H表示法加拉格朗日方程建立多体模型，从理论上对等效物理模型进行建模分析。本发明专利技术提出的利用细胞卫星吸附机构直接吸附非合作目标，具有简单可靠、经济性的优点。

A Cellular Satellite Adsorption Method for Capturing Non-cooperative Targets

【技术实现步骤摘要】
一种细胞卫星吸附式抓捕非合作目标方法
本专利技术涉及空间对接
，特别涉及一种细胞卫星吸附式抓捕非合作目标方法。
技术介绍
空间非合作目标是指不是为对接或捕获设计的任一航天器，即该目标上不安装用于机械臂捕获的抓持机构(手柄)以及用于辅助测量的合作标志器和特征块，或不能进行姿态控制，在空间自由翻滚的任一航天器。现有的在轨航天器基本上属于非合作目标。从目前的发展情况来看，对空间合作目标的抓捕技术已相对成熟，并成功应用于在轨服务中。然而，对空间非合作目标的抓捕，仍然处于探索发展过程中。主要是利用飞爪、飞网、手爪等抓捕工具，都存在抓捕难度大、需要解决的关键技术多的问题。现有抓捕机构存在机构复杂，成本高，抓捕难度大等问题，急需设计一种简单可靠的抓捕机构。
技术实现思路
本专利技术需要解决的技术问题是：为了解决现有非合作目标抓捕难度大、可靠性低等问题，本专利技术提出一种利用细胞卫星吸附式机构抓捕非合作目标的方法。首先，进行非合作目标抓捕机构设计—细胞卫星吸附式抓捕机构，即在细胞卫星上设计类似壁虎爪或者鱼叉的粘附机构，利用粘附机构直接贴合在非合作目标表面，理想情况是两者特定表面能够稳定贴合在一起，但是单边或者单点接触也很可能发生，由此将可能造成特定表面无法粘合而引起黏附失败。然后，进行抓捕过程建模。本专利技术对于单点或单边接触的情况提出了的一种等效模型—二体铰接连杆机构物理模型，能够利用D-H表示法和拉格朗日方程建立的多体模型进行理论分析。为了实现上述目的，本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种细胞卫星吸附式抓捕非合作目标方法，包括以下步骤：1)设计细胞卫星吸附式抓捕机构并建立其模型：细胞卫星吸附式抓捕机构为细胞卫星，其包括细胞卫星主体、在细胞卫星主体一个面上用于后续操作的对接机构及用于起到粘附的作用的粘附机构；2)构建细胞卫星吸附式抓捕机构抓捕非合作目标过程的二体铰接连杆机构物理模型；3)构建细胞卫星吸附式抓捕机构抓捕时的数学模型，首先利用D-H表示法对连杆和关节进行建模，确定实现任意两个相邻坐标系之间的变换矩阵，进而得到总变换矩阵；然后，通过计算连杆和关节的动能和势能来定义拉格朗日函数；最后，通过将拉格朗日函数对关节变量求导来求得动力学方程；进而，对各个关节变量进行求解，定量分析吸附稳定性。作为本专利技术的进一步改进，所述的粘附机构为吸盘。作为本专利技术的进一步改进，所述的吸盘包括方形吸盘主体和设置在方形吸盘主体周围分布的爪结构。作为本专利技术的进一步改进，所述的细胞卫星主体为立方体结构。作为本专利技术的进一步改进，步骤2)中的二体铰接连杆机构物理模型是指：建立细胞卫星和目标星通过两个正交的旋转副相连的模型，实现细胞卫星吸附式抓捕机构相对于非合作目标的任意方向转动。作为本专利技术的进一步改进，步骤3)具体步骤如下：建立细胞卫星吸附式抓捕机构和非合作目标通过两个正交的旋转副相连的模型，实现细胞卫星相对于目标星的任意方向转动；利用D-H表示法对二体铰接连杆机构进行量化表示：θ角表示绕z轴的旋转角，d表示在z轴上两条相邻的公垂线之间的距离，a表示每一条公垂线的长度，角α表示两个相邻的z轴之间的角度；利用α,a,d,θ实现相邻坐标系间的变换，本地坐标系xn+1-zn+1到xn-zn的变换矩阵为：对于多个坐标系的变换，有nTR＝1TR2T13T2…nTn-1；所以，二体铰接连杆机构D-H参数表示的坐标变换矩阵为：再建立非合作目标相对于惯性系的运动方程，即建立非合作目标本体坐标系Txbybzb相对于惯性系的变换矩阵，相应的坐标变换矩阵为：非合作目标本体坐标系系统的动能为：其中，Uij是变换矩阵对关节变量qj的导数，表达式为代表的伪惯量矩阵重写为该惯量矩阵与关节角速度和速度无关；将上式带入动能表达式，有：系统的势能是每个连杆的势能总和，不考虑重力，所以系统势能为0，即P＝0；所以，系统拉格朗日函数为：对拉格朗日函数求导得到动力学方程：其中，n是系统自由度，n＝8；qj(j≤n)是广义坐标，具体指目标航天器的6个自由度x,y,z,α,β,γ以及两个转角θ1和θ2，和分别是广义坐标qj对应的一阶导数和二阶导数；Dij和Dijk的定义为：利用模型(8)对各个关节变量进行求解。本专利技术的有益效果是：本专利技术提出的利用细胞卫星吸附机构直接吸附非合作目标对其进行抓捕，细胞卫星吸附式抓捕机构分布在细胞卫星的某一面上具有类似壁虎爪结构的方形吸盘，以及用于吸附后将非合作目标合作化的对接机构其用于后续对吸附整体的操作。该结构具有简单可靠、经济性的优点，尤其是在吸附时对接触结构的等效处理方法，在保证运动形式不变的前提下，具有简便直观地特点，并可以从理论上对吸附过程的稳定性进行分析。本专利技术建模方法对于单点或单边接触的情况提出了的一种等效模型—二体铰接连杆机构物理模型，能够利用D-H表示法和拉格朗日方程建立的多体模型进行理论分析。该建模方法简单，利用细胞卫星吸附机构直接吸附非合作目标，具有简单可靠、经济性的优点。附图说明图1为细胞卫星吸附式抓捕机构抓捕非合作目标机构方法流程图；图2为细胞卫星吸附式抓捕机构整体示意图；图3为图2中的吸盘放大图；图4是二体铰接连杆机构模型图；图5是目标航天器本体坐标系运动变换图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明，本专利技术包括但不仅限于下述实施例。如图1所示，本专利技术细胞卫星吸附式抓捕非合作目标方法，包括细胞卫星吸附式抓捕机构的设计及建模，抓捕过程物理模型建立—二体铰接连杆机构，以及抓捕过程数学模型构建—利用Debavit-Hartenberg(D-H)表示法加拉格朗日方程建立多体模型。(1)细胞卫星吸附式抓捕机构的设计及建模，其由三部分组成：细胞卫星主体设计为立方体，吸附机构设计为分布在细胞卫星的某一面上具有类似壁虎爪结构的方形吸盘3，以及用于吸附后将非合作目标合作化的对接机构，其用于后续对吸附整体的操作。(2)建立抓捕过程物理模型，考虑到非合作目标在绕自己的质心做自由翻滚，具有3个转动自由度和3个移动自由度；可认为细胞卫星吸附式抓捕机构在绕粘附点在空间自由转动，理论上具有3个转动自由度。那么，系统将具有9个自由度。在保证运动不受影响的前提下，为了简化分析，可以将球铰等效为2个正交的转动副，此时，系统具有8个自由度。二体铰接连杆机构物理模型是数学模型建立的基础。(3)建立抓捕过程数学模型，首先利用D-H表示法对连杆和关节进行建模，确定实现任意两个相邻坐标系之间的变换矩阵，进而得到总变换矩阵；然后，通过计算连杆和关节的动能和势能来定义拉格朗日函数；最后，通过将拉格朗日函数对关节变量求导来求得动力学方程。进而，可以对各个关节变量进行求解，定量分析吸附稳定性。如图2所示，本专利技术细胞卫星吸附式抓捕机构，包括20×20×20cm3的细胞卫星主体1、在细胞卫星某一个面上用于后续操作的对接机构2、具有类壁虎爪结构的吸盘3。细胞卫星主体1具有体积小的特点，易于发射，同时细胞卫星本身具有通信功能，在与非合作目标吸附成一个整体后，可作为合作标识，即相当于把非合作目标合作化；用于后续操作的对接机构2是考虑到细胞卫星主体1本身功能有限，对非合作目标能实施的操作有限，为进一步操作做准备；具有类壁虎爪结构的吸盘3的具体结构见图3，在方形吸盘主体4周围分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种细胞卫星吸附式抓捕非合作目标方法，其特征在于，包括以下步骤：1)设计细胞卫星吸附式抓捕机构并建立其模型：细胞卫星吸附式抓捕机构为细胞卫星，其包括细胞卫星主体(1)、在细胞卫星主体(1)一个面上用于后续操作的对接机构(2)及用于起到粘附的作用的粘附机构；2)构建细胞卫星吸附式抓捕机构抓捕非合作目标过程的二体铰接连杆机构物理模型；3)构建细胞卫星吸附式抓捕机构机抓捕时的数学模型，首先利用D‑H表示法对连杆和关节进行建模，确定实现任意两个相邻坐标系之间的变换矩阵，进而得到总变换矩阵；然后，通过计算连杆和关节的动能和势能来定义拉格朗日函数；最后，通过将拉格朗日函数对关节变量求导来求得动力学方程；进而，对各个关节变量进行求解，定量分析吸附稳定性。

【技术特征摘要】
1.一种细胞卫星吸附式抓捕非合作目标方法，其特征在于，包括以下步骤：1)设计细胞卫星吸附式抓捕机构并建立其模型：细胞卫星吸附式抓捕机构为细胞卫星，其包括细胞卫星主体(1)、在细胞卫星主体(1)一个面上用于后续操作的对接机构(2)及用于起到粘附的作用的粘附机构；2)构建细胞卫星吸附式抓捕机构抓捕非合作目标过程的二体铰接连杆机构物理模型；3)构建细胞卫星吸附式抓捕机构机抓捕时的数学模型，首先利用D-H表示法对连杆和关节进行建模，确定实现任意两个相邻坐标系之间的变换矩阵，进而得到总变换矩阵；然后，通过计算连杆和关节的动能和势能来定义拉格朗日函数；最后，通过将拉格朗日函数对关节变量求导来求得动力学方程；进而，对各个关节变量进行求解，定量分析吸附稳定性。2.根据权利要求1所述的细胞卫星吸附式抓捕非合作目标方法，其特征在于：所述的粘附机构为吸盘(3)。3.根据权利要求2所述的细胞卫星吸附式抓捕非合作目标方法，其特征在于：所述的吸盘(3)包括方形吸盘主体(4)和设置在方形吸盘主体(4)周围分布的爪结构(5)。4.根据权利要求1所述的细胞卫星吸附式抓捕非合作目标方法，其特征在于：所述的细胞卫星主体(1)为立方体结构。5.根据权利要求1所述的细胞卫星吸附式抓捕非合作目标方法，其特征在于：步骤2)中的二体铰接连杆机构物理模型是指：建立细胞卫星和目标星通过两个正交的旋转副相连的模型，实现细胞卫星吸附式抓捕机构相对于非合作目标的任意方向转动。6.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：马卫华，万文娅，袁建平，袁静，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61