一种面向冷气推进的空间机器人跟踪控制方法技术

本发明专利技术的一个实施例公开了一种面向冷气推进的空间机器人跟踪控制方法，包括：S1、建立空间机器人的动力学模型，并引入PID反馈控制，得到前馈反馈控制模型，根据前馈反馈控制模型得到空间机器人的期望推力值；S2、获得空间机器人携带的推力器的理论推力值；S3、采用PWM波方法将步骤S1得到的期望推力值转换成开关值，利用开关值控制电磁阀的通断来模拟推力大小的变化，从而跟踪期望推力值和期望路径，并利用理论推力值和期望推力值获得推力器接通时长t

【技术实现步骤摘要】
一种面向冷气推进的空间机器人跟踪控制方法


[0001]本专利技术涉及航天
更具体地，涉及一种面向冷气推进的空间机器人跟踪控制方法、计算机设备以及计算机可读存储介质。

技术介绍

[0002]人类对太空领域的探索日渐频繁，发射的航天器数目正在逐步积累。然而航天器受到其燃料载荷或元器件工作时长的限制，在轨道上的运行寿命有限，一旦服役时间超出预定寿命就会成为太空垃圾。这些卫星不仅占据了相当大的轨道资源，还由于能源耗尽导致其成为不可通信、不可对接的非合作目标，会对正常在轨运行的卫星造成极大威胁。于是研究人员提出了在轨服务方案，即使用服务机器人捕获对这些不可通信、无对接设计的废弃航天器，对其进行维修或气液补加，使其重新进入服役状态。
[0003]空间机器人在轨服务需要解决的一项关键技术就是对空间机器人进行跟踪控制，使得本体、各关节的位置、速度、加速度等状态量能够跟踪期望轨迹。空间机器人处于微重力环境因此相较于地面机器人有着更强的耦合关系，存在着延时、数模转换误差、未建模噪声和外界干扰等不确定性误差和扰动，是一种复杂的非线性时变的多输入多输出系统，从而导致控制器的设计难度较大。控制器的设计必须满足空间机器人能够对规划路径实现高精度跟踪，并且当自身构型或外界环境发生变化时，控制器仍能适应控制对象与环境。目前主流的控制方法有比例
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积分
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微分(PID)控制、计算力矩(前馈)控制、自适应控制、鲁棒控制及智能控制算法等，这些控制算法对执行机构为关节电机或飞轮等线性机构的自由漂浮空间机器人有较好的控制效果。
[0004]但是自由漂浮机器人的机动能力极弱，仅能通过机械臂的运动改变本体的姿态，无法实现位移机动，而冷气推进是一种理想的位移机动方式，冷气推进结构简单、安全性高、响应迅速，目前已经在空间交会对接等等空间在轨服务场景广泛使用。然而和双组元或三组元的热推力器相比，冷气推进比冲较小，为了保证携带足够的工质，通常使用高压气瓶存储气体，但在高压环境下气体分子体积不能忽略，理想气体状态方程无法适用，理论推力与实际推力会有显著差别，而且工作一段时间后气瓶压力会出现明显下降，也会造成推力的改变。为保证空间机器人对理想路径实现高精度跟踪控制，需要设计一种能够适应冷气推力误差的控制策略。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种面向冷气推进的空间机器人跟踪控制方法、计算机设备以及计算机可读存储介质。以解决现有技术存在的问题中的至少一个。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用下述技术方案：
[0007]第一方面，本专利技术提供了一种面向冷气推进的空间机器人跟踪控制方法，包括：
[0008]S1、建立空间机器人的动力学模型，并引入PID反馈控制，得到前馈反馈控制模型，根据所述前馈反馈控制模型得到所述空间机器人的期望推力值；
[0009]S2、获得所述空间机器人携带的推力器的理论推力值；
[0010]S3、采用PWM波方法将步骤S1得到的期望推力值转换成开关值，利用所述开关值控制电磁阀的通断来模拟推力大小的变化，从而跟踪期望推力值和期望路径，并利用所述理论推力值和期望推力值获得推力器接通时长t
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；
[0011]S4、在推进过程中利用传感器，通过递推最小二乘
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仿射投影符号算法的混合辨识方法辨识所述空间机器人携带的推力器的实际推力值，并利用得到的实际推力值更新步骤S3的理论推力值，进一步获得更新后的推力器接通时长t
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。
[0012]在一个具体实施例中，
[0013]所述前馈反馈控制模型的前馈部分基于动力学模型的计算力矩法，根据前述规划得到的轨迹代入动力学模型解算，得到相关执行器控制指令；
[0014]所述前馈反馈控制模型的反馈部分基于期望轨迹和实际轨迹的偏差量通过PID控制与前馈指令相叠加，得到连续的期望推力值。
[0015]在一个具体实施例中，所述动力学模型如下：
[0016][0017]其中，其中a和ω分别为线加速度和角速度，m为机器人总质量，J为惯量张量矩阵，F和M分别为推进器提供的力和力矩，I3为三阶单位矩阵。
[0018]在一个具体实施例中，
[0019]所述PWM波实现原理为，将模拟量归一化之后与载波进行比较，当模拟量大于等于载波时，输出高电平，反之输出低电平，其中载波选取为双斜率的三角波。
[0020]在一个具体实施例中，
[0021]所述理论推力值是根据推力器的温度，压力，口径以及喷管形状计算出来的。
[0022]在一个具体实施例中，
[0023]所述推力器接通时长t
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取决于所述理论推力值和期望推力值，原理见下示：
[0024][0025]其中f(t)是根据轨迹规划结果得到的期望推力值，T为单个PWM波周期长度，F为理论推力值。
[0026]在一个具体实施例中，所述通过递推最小二乘
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仿射投影符号算法的混合辨识方法辨识所述空间机器人携带的推力器的实际推力值的步骤包括：
[0027]首先使用递推最小二乘法进行辨识，当收敛速度变慢时，则切换到仿射投影符号算法进行辨识。
[0028]第二方面，本专利技术还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如本申请第一方面提供的方法。
[0029]第三方面，本专利技术还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如本申请第一方面提供的方法。
[0030]本专利技术的有益效果如下：
[0031]本专利技术提出的冷气推进的空间机器人跟踪控制方法，针对冷气推进的空间机器人
存在脉冲、迟滞、压降、非建模项等非线性误差进行抑制，设计了一套自适应前馈反馈跟踪控制算法，其中前馈模块可以实现对指令的快速跟踪，反馈模块可以抑制迟滞和非建模误差等，自适应模块可以跟随冷气推进的推力变化以调整模型。相较于其他传统方法，该方法对使用冷气推进误差的空间机器人的非线性误差抑制能力更强，相关思路可以用于空间在轨服务、航天器对接、空间攻防等场景中的避障路径规划,对于提高空间机器人的跟踪控制精度具有重要意义。
附图说明
[0032]为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0033]图1示出根据本专利技术一个实施例的一种面向冷气推进的空间机器人跟踪控制方法流程图。
[0034]图2示出根据本专利技术一个实施例的前馈反馈复合控制策略结构示意图。
[0035]图3示出根据本专利技术一个实施例的PWM波实现原理图。
[0036]图4示出根据本专利技术一个实施例的引入自适应补偿机制后的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向冷气推进的空间机器人跟踪控制方法，其特征在于，包括：S1、建立空间机器人的动力学模型，并引入PID反馈控制，得到前馈反馈控制模型，根据所述前馈反馈控制模型得到所述空间机器人的期望推力值；S2、获得所述空间机器人携带的推力器的理论推力值；S3、采用PWM波方法将步骤S1得到的期望推力值转换成开关值，利用所述开关值控制电磁阀的通断来模拟推力大小的变化，从而跟踪期望推力值和期望路径，并利用所述理论推力值和期望推力值获得推力器接通时长t
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；S4、在推进过程中利用传感器，通过递推最小二乘
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仿射投影符号算法的混合辨识方法辨识所述空间机器人携带的推力器的实际推力值，并利用得到的实际推力值更新步骤S3的理论推力值，进一步获得更新后的推力器接通时长t
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。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述前馈反馈控制模型的前馈部分基于动力学模型的计算力矩法，根据前述规划得到的轨迹代入动力学模型解算，得到相关执行器控制指令；所述前馈反馈控制模型的反馈部分基于期望轨迹和实际轨迹的偏差量通过PID控制与前馈指令相叠加，得到连续的期望推力值。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述动力学模型如下：其中，其中a和ω分别为线加速度和角速度，m为机器人总质量，J为惯量张量矩阵，F和M分别为推进器...

【专利技术属性】
技术研发人员：海啸，张承龙，李林林，衡勇，
申请(专利权)人：北京电子工程总体研究所，
类型：发明
国别省市：