单边约束情况下估计空间非合作目标动力学参数的方法技术

本发明专利技术公开了一种单边约束情况下估计空间非合作目标动力学参数的方法，该方法包括如下步骤：将目标与机械臂末端的相对运动视为拉格朗日动力学系统新增的自由度，在此种假设的基础上，利用拓展自由度模型对机械臂与目标之间的相对运动进行描述并建立动力学模型；对组合体动力学矩阵逐行分析，并根据参数相关性对不同参数进行分离处理，将动力学模型写成关于未知参数的紧凑形式；对猜测值误差进行迭代以构建最小二乘模型，实现对非合作目标动力学参数的测量和提取。本发明专利技术弥补了现有机械臂系统在抓取未知目标时无法检测是否出现相对滑动、且无法在滑动情况下准确测量目标动力学参数的不足。

【技术实现步骤摘要】
单边约束情况下估计空间非合作目标动力学参数的方法
本专利技术属于航空航天
，具体涉及一种单边约束情况下估计空间非合作目标动力学参数的方法。
技术介绍
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，基于先进控制器设计的抓捕策略和控制系统是进行空间非合作目标抓捕的必要手段。由于现代机械臂配套的先进控制算法往往需要精确知晓动力学系统的各种参数，包括系统质量、惯量、质心位置等。而对于空间非合作目标，这些参数往往是完全未知的，这就给系统控制带来了巨大的风险和困难。如何在复杂恶劣环境下快速精确地估计出目标的各种动力学参数是现阶段亟待解决的关键问题。现阶段的航天器动力学参数识别技术主要可分为两大类：多刚体模型与单刚体模型。现有文献Nguyen-Huynh,T.C.,Sharf,I.,AdaptiveReactionlessMotionandParameterIdentificationinPostcaptureofSpaceDebris,JournalofGuidance,Control,andDynamics,Vol.36,No.2,2014,pp.404-414中采用了多刚体表述方法，利用机械臂所有关节动力学参数已知，而目标动力学参数未知的特点，构造遗忘因子最小二乘模型，在抓捕阻尼过程中实现对目标动力学参数的识别。文献E.V.Bergmann,B.K.Walker,andD.R.Levy,MassPropertyEstimationforControlofAsymmetricalSatellites,JournalofGuidance,Control,andDynamics,10(10)(1987)483–491中，多体问题被用来描述航天器存在燃料、挠性和可变性机构等情况下，航天器转动惯量和质心位置随时间变化的现象。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，因此无法在复杂情况下准确探知目标的动力学参数。现有文献R.E.Bordany,W.H.Steyn,M.Crawford,In-OrbitEstimationoftheInertiaMatrixandThrusterParametersofUoSAT-12,14thAIAA/USUConferenceonSmallSatellites,SSC00-I-4中，机械臂与目标被视为一个单刚体模型，通过在组合体上施加试探力矩并测量组合体角速度变化情况，构建输入-输出映射关系，并实现对组合体动力学参数的识别和测量。这一思想在文献She,Y.,Sun,J.,Li,S.etal.Quasi-modelfreecontrolforthepost-captureoperationofanon-cooperativetarget,ActaAstronautica,22March2018中同样得到采用，不同的是利用了单刚体模型线性化后的紧凑形式，并利用虚拟坐标系将质心位置与转动惯量解耦，已达到不同动力学参数的分别快速识别。但是单刚体模型同样无法实现对目标与机械臂之间存在滑动的情况的精确描述；一种可能性是将相对滑动现象抽象成转动惯量随时间的变化，然而目前尚未有学者构建出这两者之间的精确映射关系，也尚未提出具体的测量思路和系统参数观测算法。因此可以看出当前的技术仍存在提高上升的空间。
技术实现思路
针对于上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种单边约束情况下估计空间非合作目标动力学参数的方法，以解决现有技术中机械臂系统在抓取未知目标时无法检测是否出现相对滑动、且无法在滑动情况下准确测量目标动力学参数的问题。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：本专利技术的一种单边约束情况下估计空间非合作目标动力学参数的方法，包括步骤如下：步骤一：将空间非合作目标与机械臂末端的相对运动视为拉格朗日动力学系统新增的自由度，并基于上述假设，通过机械臂末端和抓捕位置的几何特征构建拓展自由度模型，对机械臂与空间非合作目标之间的相对运动进行描述；同时，对机械臂和空间非合作目标分别进行动力学建模；步骤二：对空间非合作目标与机械臂所组成的组合体系统的状态进行初始化，对空间非合作目标质心位置进行初始猜测；利用在步骤一中所构建的拓展自由度将机械臂和空间非合作目标的动力学模型整合，得到组合体动力学模型；步骤三：利用拉格朗日动力学特性对紧凑形式下的组合体动力学模型逐行分析，并根据参数相关性对不同参数进行分离处理，同时利用系统自迭代法构造滤波方程；步骤四：利用阻尼控制器对系统进行减速控制，同时跟踪监视；利用上述构造的滤波方程构造最小二乘模型，对空间非合作目标的动力学参数进行估计。优选地，所述步骤二具体包括：通过分析动力学参数可观测性，决定将目标质心位置的二维坐标La和f、目标质量m及转动惯量J四个参数作为估计目标，并猜测非合作目标质心位置(La和f)的初始值，作为后续滤波算法的初始化条件。优选地，所述步骤三具体包括：通过对组合体动力学模型的逐行分析，明确动力学矩阵每行相对于每一个动力学参数的相关性，将质心位置与目标质量关联处理，而对目标转动惯量解耦单独处理，并针对猜测误差的收敛情况构建滤波方程。优选地，所述步骤四具体包括：利用滤波方程构建最小二乘模型，通过组合体动力学模型自身迭代实现数据的累积并通过最小二乘法估计质心位置的猜测误差；再通过误差修正后的动力学模型解算出目标质量和转动惯量。优选地，所述步骤一与二具体包括：将目标与机械臂末端的相对运动视为拉格朗日动力学系统新增的自由度，使得组合体系统的阶数从N增拓展到N+3，定义拓展自由度的概念；利用组合体广义自由度N维向量q对机械臂末端链接机构进行建模；同时定义三个拓展自由度：滑动自由度l，表示机械臂末端抓取机构到连接点的距离；转动自由度θ，表示机械臂末端指向方向与目标连接点位置切线方向的夹角；滑动自由度f，表示连接点到连接点切线与目标质心垂线交点的距离；利用拓展自由度给出目标质心相对于机械臂末端的位置，公式为：其中，Q(q)为机械臂末段的位置姿态矩阵，通过机械臂自由度向量q求出；对上述公式求导，定义拓展自由度向量qnew＝[lfθ]T，并将向量集成进入机械臂动力学模型；再将机械臂自由度向量q与拓展自由度向量qnew分别列出以得到组合体整体的拉格朗日动力学模型公式：式中，M,D,C均为正定矩阵，由组合体质量，惯量的信息求得；F为控制力或控制力矩；将矩阵整合并写成紧凑形式：其中，各个矩阵定义为：分析并明确各个物理量的可观测性，并最终确定需要进行估计观测的物理量为：被抓捕目标的m、被抓捕目标转动惯量J、以及目标质心在拓展自由度下的二维坐标f与La。本专利技术的有益效果：本专利技术基于拓展自由度，所建的数学模型较为简单，并可以准确描述目标与机械臂之间的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单边约束情况下估计空间非合作目标动力学参数的方法，其特征在于，包括步骤如下：步骤一：将空间非合作目标与机械臂末端的相对运动视为拉格朗日动力学系统新增的自由度，并构建拓展自由度模型，对机械臂与空间非合作目标之间的相对运动进行描述，并对多关节机械臂和被抓捕的目标分别进行动力学建模；步骤二：对空间非合作目标与机械臂所组成的组合体系统的状态进行初始化，对空间非合作目标质心位置进行初始猜测；利用在步骤一中所构建的拓展自由度将机械臂和空间非合作目标的动力学模型整合，得到组合体动力学模型；步骤三：利用拉格朗日动力学特性对紧凑形式下的组合体动力学模型逐行分析，并根据参数相关性对不同参数进行分离处理，同时利用系统自迭代法构造滤波方程；步骤四：利用阻尼控制器对系统进行减速控制，同时跟踪监视；利用上述构造的滤波方程构造最小二乘模型，对空间非合作目标的动力学参数进行估计。

【技术特征摘要】
1.一种单边约束情况下估计空间非合作目标动力学参数的方法，其特征在于，包括步骤如下：步骤一：将空间非合作目标与机械臂末端的相对运动视为拉格朗日动力学系统新增的自由度，并构建拓展自由度模型，对机械臂与空间非合作目标之间的相对运动进行描述，并对多关节机械臂和被抓捕的目标分别进行动力学建模；步骤二：对空间非合作目标与机械臂所组成的组合体系统的状态进行初始化，对空间非合作目标质心位置进行初始猜测；利用在步骤一中所构建的拓展自由度将机械臂和空间非合作目标的动力学模型整合，得到组合体动力学模型；步骤三：利用拉格朗日动力学特性对紧凑形式下的组合体动力学模型逐行分析，并根据参数相关性对不同参数进行分离处理，同时利用系统自迭代法构造滤波方程；步骤四：利用阻尼控制器对系统进行减速控制，同时跟踪监视；利用上述构造的滤波方程构造最小二乘模型，对空间非合作目标的动力学参数进行估计。2.根据权利要求1所述的单边约束情况下估计空间非合作目标动力学参数的方法，其特征在于，所述步骤二具体包括：通过分析动力学参数可观测性，决定将目标质心位置的二维坐标La和f、目标质量m及转动惯量J四个参数作为估计目标，并猜测空间非合作目标质心位置La和f的初始值，作为后续滤波算法的初始化条件。3.根据权利要求1所述的单边约束情况下估计空间非合作目标动力学参数的方法，其特征在于，所述步骤三具体包括：通过对组合体动力学模型的逐行分析，明确动力学矩阵每行相对于每一个动力学参数的相关性，将质心位置与目标质量关联处理，而对目标转动惯量解耦单独处理，并针对猜测误差的收敛情况构建滤波方程。4.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：李爽，佘宇琛，
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