【技术实现步骤摘要】
一种基于动力学模型的双臂抓捕下空间目标参数辨识方法
本专利技术涉及一种基于动力学模型的双臂抓捕下空间目标参数辨识方法，尤其涉及一种在运行轨道上自由漂浮的空间碎片主动清除飞行器系统，系统包括中心平台、以及两部机械臂系统，机械臂系统抓捕空间非合作目标后，设计的利用平台转动方程进行空间非合作目标质量特性参数辨识方法，属于航天器动力学与姿态控制领域。
技术介绍
空间非合作目标是指那些无法与空间在轨服务航天器间产生互动和信息交流的空间物体，非合作目标的质量特性参数往往是未知的。非合作目标包括故障或失效卫星、空间碎片以及敌方航天器等。空间机器人机械臂抓取非合作目标后，系统的动力学特性发生很大改变，会对组合体的高精度姿态控制产生不利的影响，为了仍能准确地对机器人系统进行期望的控制，则必须对非合作目标的质量特性参数，包括质量、静矩和转动惯量进行准确的辨识。根据已有文献的研究成果，按照空间机器人辨识所产生激励的执行机构不同，可将现有文献大致分为基于机械臂激励的辨识研究、基于反作用推力器激励的辨识研究和基于动量轮激励的辨识研究三...
【技术保护点】
1.一种基于动力学模型的双臂抓捕下空间目标参数辨识方法，其特征在于：具体的操作步骤如下：/n步骤1：基于如下条件：/n条件1：空间碎片主动清除飞行器、两部机械臂以及空间非合作目标都为刚性，且机械臂末端作用器与非合作目标固连；/n条件2：空间碎片主动清除飞行器处于自由飞行状态，其所受到的外力以及外力矩都很微小，从而可以忽略；/n条件3：进行参数辨识时，所需的输入信息均在高精度下测量得到，包含了中心平台角速度、线速度、机械臂各关节转角和角速度信息；/n条件4：捕获目标载荷后，机械臂的末端作用器即与目标固连为一体，两者之间不存在相对运动；/n步骤2：结合中心平台和机械臂的运动学关...
【技术特征摘要】
1.一种基于动力学模型的双臂抓捕下空间目标参数辨识方法，其特征在于：具体的操作步骤如下：
步骤1：基于如下条件：
条件1：空间碎片主动清除飞行器、两部机械臂以及空间非合作目标都为刚性，且机械臂末端作用器与非合作目标固连；
条件2：空间碎片主动清除飞行器处于自由飞行状态，其所受到的外力以及外力矩都很微小，从而可以忽略；
条件3：进行参数辨识时，所需的输入信息均在高精度下测量得到，包含了中心平台角速度、线速度、机械臂各关节转角和角速度信息；
条件4：捕获目标载荷后，机械臂的末端作用器即与目标固连为一体，两者之间不存在相对运动；
步骤2：结合中心平台和机械臂的运动学关系，建立双臂捕获后的闭链系统的动力学方程：具体包括如下步骤：
步骤2.1：定义坐标系及相关变量
针对对象为在运行轨道上自由漂浮的空间碎片主动清除飞行器系统，系统包括中心平台、以及两部机械臂系统，每部机械臂系统带有7节机械臂连杆，节数编号规则为，靠近中心平台的机械臂连杆为小编号，依次向外编号递增，每节机械臂相对其内接体均只具有1个转动自由度，第7节机械臂连杆为末端作用器，用于抓捕和固定目标；
a.地心赤道惯性坐标系F(OXYZ)：原点位于地球中心O，Z轴沿地球极轴指向北极，X轴指向春分点，Y轴与X轴、Z轴构成右手坐标系，春分点指太阳从南向北在黄赤道上的交点；
b.轨道坐标系FI(OIXIYIZI)：原点位于系统质心，ZI轴指向地心，YI轴指向轨道负法线方向，XI轴与其它两轴构成右手坐标系；
c.中心平台体坐标系Fb(ObXbYbZb)：原点航天器本体质心Ob，Xb轴、Yb轴与Zb轴为航天器本体惯性主轴，且构成右手坐标系；
d.机械臂坐标系原点位于第i个机械臂系统中的第j节机械臂与其内接体的铰链处，坐标系各轴与第j节机械臂固连；其中，i＝1,2；j＝1,2,…,7；
以下各部分内容中，变量的右上标“i”均表示有关第i个机械臂系统的相关变量，变量的右下标“j”均表示有关第j节机械臂连杆的相关变量；
定义相关变量如下：
rb为中心平台质量参考点在中心平台体坐标系中的位置投影矩阵；
为第i部机械臂系统中的第j节机械臂的质量参考点在其体坐标系中的位置投影矩阵；
为第i部机械臂系统中的第j节机械臂体坐标系原点在中心平台体坐标系中的位置投影矩阵；
为第i部机械臂系统中的第k节机械臂体坐标系原点到第j节机械臂体坐标系原点在第k节机械臂体坐标系中的投影列阵；
为第i部机械臂系统末端作用器体坐标系原点到第j个机械臂系统末端作用器捕获点在中心平台体坐标系的投影列阵；
为第i部机械臂系统末端作用器体坐标系原点到其末端作用器捕获点在中心平台体坐标系的投影列阵；
为第i部机械臂系统中的第j节机械臂体坐标系到中心平台体坐标系的坐标转换矩阵；
为中心平台体坐标系到第i部机械臂系统中的第j节机械臂体坐标系的坐标转换矩阵；
为第i部机械臂系统中的第j节机械臂体坐标系到第k节机械臂体坐标系的坐标转换矩阵；
为第i部机械臂系统中的第j节机械臂相对其体坐标系的角加速度矩阵；
为第i部机械臂系统中的第j节机械臂相对轨道系的角速度矩阵；
F为作用于中心平台上的力，以列矩阵形式表达；
T为作用于中心平台上的力矩，以列矩阵形式表达；
为作用于第i部机械臂系统的第j节机械臂关节处的控制力矩，以列矩阵形式表达，由于机械臂关节仅有一个自由度，因此列向量中三轴分量仅在对应转动自由度方向具有数值；
列阵的叉乘反对称斜方阵以字符上方的波浪线“～”表示；
右上标“T”表示矩阵的转置；
步骤2.2：说明中心平台和机械臂的运动学关系
中心平台的运动学关系说明如下：
中心平台为空间碎片主动清除飞行器，其姿态指向可用欧拉角描述；记中心平台体坐标系相对轨道坐标系的滚动、俯仰和偏航角分别为φ、θ和ψ，则其姿态运动学关系写为
其中，ω为中心平台角速度，ωx、ωy、ωz表示其三轴分量，“·”上标表示其导数；
记欧拉角列阵则式(1)写为
根据定义的姿态角和旋转顺序，轨道坐标系到中心体坐标系的坐标转换矩阵为
式中“s”表示“sin”，“c”表示“cos”；中心体体坐标系到轨道坐标系的坐标转换矩阵为
机械臂的运动学关系说明如下：
机械臂j与其内接体的旋转轴方向通常为其体坐标系的某个坐标轴方向；记第i个机械臂系统中的第j节机械臂相对其内接体的转角为其时间导数即为第i个机械臂系统中的第j节机械臂相对其内接体的转动角速度；
第i个机械臂系统中的第j节机械臂相对其体坐标系的转动角速度的矩阵形式为若体坐标系的x轴为旋转轴方向，则有
若体坐标系的y轴为旋转轴方向，则有
若体坐标系的z轴为旋转轴方向，则有
各臂的运动学关系为式(4)～(6)中的某一个方程，取决于体坐标系的选取；上述运动学方程统一写为
其中
具体取值由体坐标系的选取确定，表示机械臂关节的转动自由度方向转换矩阵；
步骤2.3：建立双臂捕获后的闭链系统动力学方程
步骤2.3.1：建立各体的动力学方程，写为系统动力学模型的紧缩形式
按照Kane方程建模的过程，得到系统各体的动力学方程如下：
a.中心体的平动方程，对应广义速度表示中心平台速度：
式中，
——中心平台的加速度；
为系统总质量；其中，为第i部机械臂系统中的第j节机械臂的质量；mb为中心平台的质量；
为系统对中心平台体坐标系原点的静矩；其中，
Sb＝∫brbdm为中心平台相对其体坐标系原点的静矩；
为第i部机械臂系统中的第j节机械臂对中心平台体坐标系原点的静矩；
为第i部机械臂系统中的第j节机械臂对其体坐标系原点的静矩；
为第i部机械臂系统中的第j节机械臂对第1节机械臂体坐标系原点的静矩；
为第i部机械臂系统中的第j节机械臂对第2节机械臂体坐标系原点的静矩；
为第i部机械臂系统中的第j节机械臂对第3节机械臂体坐标系原点的静矩；
为第i部机械臂系统中的第j节机械臂对第4节机械臂体坐标系原点的静矩；
为第i部机械臂系统中的第j节机械臂对第5节机械臂体坐标系原点的静矩；
为第i部机械臂系统中的第7节机械臂对第6节机械臂体坐标系原点的静矩；
为第i部机械臂系统中的第1节机械臂及其上外接体对其体坐标系原点的静矩；
为第i部机械臂系统中的第2节机械臂及其上外接体对其体坐标系原点的静矩；
为第i部机械臂系统中的第3节机械臂及其上外接体对其体坐标系原点的静矩；
为第i部机械臂系统中的第4节机械臂及其上外接体对其体坐标系原点的静矩；
为第i部机械臂系统中的第5节机械臂及其上外接体对其体坐标系原点的静矩；
为第i部机械臂系统中的第6节机械臂及其上外接体对其体坐标系原点的静矩；
为第i部机械臂系统中的第7节机械臂及其上外接体对其体坐标系原点的静矩；
为中心平台增广体对其体坐标系原点的静矩；
为第i部机械臂系统中的第1节机械臂增广体对其体坐标系原点的静矩；
为第i部机械臂系统中的第2节机械臂增广体对其体坐标系原点的静矩；
为第i部机械臂系统中的第3节机械臂增广体对其体坐标系原点的静矩；
为第i部机械臂系统中的第4节机械臂增广体对其体坐标系原点的静矩；
为第i部机械臂系统中的第5节机械臂增广体对其体坐标系原点的静矩；
为第i部机械臂系统中的第6节机械臂增广体对其体坐标系原点的静矩；
为第i部机械臂系统中的第7节机械臂增广体对其体坐标系原点的静矩；
b.中心体的转动方程；
式中，
为系统对中心平台体坐标系的惯量矩阵；其中，
为中心平台相对其体坐标系的惯量矩阵；
为第i部机械臂系统中的第j节机械臂相对中心平台体坐标系的惯量矩阵；
为第i部机械臂系统中的第j节机械臂相对其体坐标系的惯量矩阵；
为第i部机械臂系统中的第j节机械臂相对第1节机械臂体坐标系的惯量矩阵；
为第i部机械臂系统中的第j节机械臂相对第2节机械臂体坐标系的惯量矩阵；
为第i部机械臂系统中的第j节机械臂相对第3节机械臂体坐标系的惯量矩阵；
为第i部机械臂系统中的第j节机械臂相对第4节机械臂体坐标系的惯量矩阵；
为第i部机械臂系统中的第j节机械臂相对第5节机械臂体坐标系的惯量矩阵；
为第i部机械臂系统中的第7节机械臂相对第6节机械臂体坐标系的惯量矩阵；
为第i部机械臂系统中的第1节机械臂及其外接体相对其体坐标系的惯量矩阵；
为第i部机械臂系统中的第2节机械臂及其外接体相对其体坐标系的惯量矩阵；
为第i部机械臂系统中的第3节机械臂及其外接体相对其体坐标系的惯量矩阵；
为第i部机械臂系统中的第4节机械臂及其外接体相对其体坐标系的惯量矩阵；
为第i部机械臂系统中的第5节机械臂及其外接体相对其体坐标系的惯量矩阵；
为第i部机械臂系统中的第6节机械臂及其外接体相对其体坐标系的惯量矩阵；
为第i部机械臂系统中的第7节机械臂及其外接体相对其体坐标系的惯量矩阵；
为第i部机械臂系统中的第j节机械臂对中心平台体坐标系的惯量耦合矩阵；
为系统对中心平台体坐标系的拟惯量矩阵；
为第i部机械臂系统中的第1节机械臂对中心平台体坐标系的拟惯量矩阵；
为第i部机械臂系统中的第2节机械臂对中心平台体坐标系的拟惯量矩阵；
为第i部机械臂系统中的第3节机械臂对中心平台体坐标系的拟惯量矩阵；
为第i部机械臂系统中的第4节机械臂对中心平台体坐标系的拟惯量矩阵；
为第i部机械臂系统中的第5节机械臂对中心平台体坐标系的拟惯量矩阵；
为第i部机械臂系统中的第6节机械臂对中心平台体坐标系的拟惯量矩阵；
为第i部机械臂系统中的第7节机械臂对中心平台体坐标系的拟惯量矩阵；
c.第i部机械臂系统中的第1节机械臂的转动方程，对应于广义速度的动力学方程；
式中，
为第i部机械臂系统中的第j节机械臂对第1节机械臂体坐标系的惯量耦合矩阵；
为修正后的第i部机械臂系统中的第1节机械臂对其体坐标系的拟惯量矩阵；
为修正后的第i部机械臂系统中的第2节机械臂对第1节机械臂体坐标系的拟惯量矩阵；
为修正后的第i部机械臂系统中的第3节机械臂对第1节机械臂体坐标系的拟惯量矩阵；
为修正后的第i部机械臂系统中的第4节机械臂对第1节机械臂体坐标系的拟惯量矩阵；
为修正后的第i部机械臂系统中的第5节机械臂对第1节机械臂体坐标系的拟惯量矩阵；
为修正后的第i部机械臂系统中的第6节机械臂对第1节机械臂体坐标系的拟惯量矩阵；
为修正后的第i部机械臂系统中的第7节机械臂对第1节机械臂体坐标系的拟惯量矩阵；
d.第i部机械臂系统中的第2节机械臂的转动方程；
式中，
为第i部机械臂系统中的第j节机械臂对第2节机械臂体坐标系的惯量耦合矩阵；
为修正后的第i部机械臂系统中的第1节机械臂对第2节机械臂体坐标系的拟惯量矩阵；
为修正后的第i部机械臂系统中的第2节机械臂对其体坐标系的拟惯量矩阵；
为修正后的第i部机械臂系统中的第3节机械臂对第2节机械臂体坐标系的拟惯量矩阵；
为修正后的第i部机械臂系统中的第4节机械臂对第2节机械臂体坐标系的拟惯量矩阵；
为修正后的第i部机械臂系统中的第5节机械臂对第2节机械臂体坐标系的拟惯量矩阵；
为修正后的第i部机械臂系统中的第6节机械臂对第2节机械臂体坐标系的拟惯量矩阵；
为修正后的第i部机械臂系统中的第7节机械臂对第2节机械臂体坐标系的拟惯量矩阵；
e.第i部机械臂系统中的第3节机械臂的转动方程；
式中，
为第i部机械臂系统中的第j节机械臂对第3节机械臂体坐标系的惯量耦合矩阵；
为修正后的第i部机械臂系统中的第1节机械臂对第3节机械臂体坐标系的拟惯量矩阵；
为修正后的第i部机械臂系统中的第2节机械臂对第3节机械臂体坐标系的拟惯量矩阵；
为修正后的第i部机械臂系统中的第3节机械臂对其体坐标系的拟惯量矩阵；
为修正后的第i部机械臂系统中的第4节机械臂对第3节机械臂体坐标系的拟惯量矩阵；
为修正后的第i部机械臂系统中的第5节机械臂对第3节机械臂体坐标系的拟惯量矩阵；
为修正后的第i部机械臂系统中的第6节机械臂对第3节机械臂体坐标系的拟惯量矩阵；
为修正后的第i部机械臂系统中的第7节机械臂对第3节机械臂体坐标系的拟惯量矩阵；
f.第i部机械臂系统中的第4节机械臂的转动方程；
式中，
为第i部机械臂系统中的第j节机械臂对第4节机械臂体坐标系的惯量耦合矩阵；
为修正后的第i部机械臂系统中的第1节机械臂对第4节机械臂体坐标系的拟惯量矩阵；
为修正后的第i部机械臂系统中的第2节机械臂对第4节机械臂体坐标系的拟惯量矩阵；
为修正后的第i部机械臂系统中的第3节机械臂对第4节机械臂体坐标系的拟惯量矩阵；
为修正后的第i部机械臂系统中的第4节机械臂对其体坐标系的拟惯量矩阵；
为修正后的第i部机械臂系统中的第5节机械臂对第4节机械臂体坐标系的拟惯量矩阵；
为修正后的第i部机械臂系统中的第6节机械臂对第4节机械臂体坐标系的拟惯量矩阵；
为修正后的第i部机械臂系统中的第7节机械臂对第4节机械臂体坐标系的拟惯量矩阵；
g.第i部机械臂系统中的第5节机械臂的转动方程；
式中，
为第i部机械臂系统中的第j节机械臂对第5节机械臂体坐标系的惯量耦合矩阵；
为修正后的第i部机械臂系统中的第1节机械臂对第5节机械臂体坐标系的拟惯量矩阵；
为修正后的第i部机械臂系统中的第2节机械臂对第5节机械臂体坐标系的拟惯量矩阵；
为修正后的第i部机械臂系统中的第3节机械臂对第5节机械臂体坐标系的拟惯量矩阵；
为修正后的第i部机械臂系统中的第4节机械臂对第5节机械臂体坐标系的拟惯量矩阵；
为修正后的第i部机械臂系统中的第5节机械臂对其体坐标系的拟惯量矩阵；
为修正后的第i部机械臂系统中的第6节机械臂对第5节机械臂体坐标系的拟惯量矩阵；
为修正后的第i部机械臂系统中的第7节机械臂对第5节机械臂体坐标系的拟惯量矩阵；
h.第i部机械臂系统中的第6节机械臂的转动方程；
式中，
为第i部机械臂系统中的第7节机械臂对第6节机械臂体坐标系的惯量耦合矩阵；...
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