[發(fā)明專利]一種拖曳變軌中利用系繩與連桿的目標(biāo)星姿態(tài)穩(wěn)定方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201611041257.7
• 申請(qǐng)日: 2016-11-24
• 公開（公告）號(hào): CN106774360B
• 公開（公告）日: 2019-06-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孟中杰;王秉亨;黃攀峰;劉正雄;張夷齋;張帆
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G05D1/08
• 分類號(hào): G05D1/08
• 代理公司: 西北工業(yè)大學(xué)專利中心 61204
• 代理人: 王鮮凱

本發(fā)明涉及一種拖曳變軌中利用系繩/連桿的目標(biāo)星姿態(tài)穩(wěn)定方法，采用系繩張力與連桿擺動(dòng)協(xié)調(diào)控制技術(shù)來穩(wěn)定非合作目標(biāo)姿態(tài)。首先，設(shè)計(jì)連桿擺動(dòng)角速率控制律可消除目標(biāo)體在垂直于系繩方向的角速度，避免了纏繞的發(fā)生。與系繩連接點(diǎn)的平面移動(dòng)控制策略相比，連桿擺動(dòng)具有更大的操作空間，因此能提供更大的控制力矩。與連桿擺角的PD控制律相比，考慮了張力擾動(dòng)和擺角約束的滑模角速率控制器具有更強(qiáng)的魯棒性和更好的實(shí)用性。其次，設(shè)計(jì)系繩收放控制律可將張力穩(wěn)定在恒定的期望值附近。與單純通過張力控制使目標(biāo)體穩(wěn)定相比，控制張力跟蹤恒定值在實(shí)際工程中較易實(shí)現(xiàn)，且具有較高的穩(wěn)定性。此外，該張力控制也能保持兩端航天器的間距，避免了碰撞的發(fā)生。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于繩系航天器機(jī)動(dòng)變軌研究，涉及一種拖曳變軌中利用系繩/連桿的目標(biāo)星姿態(tài)穩(wěn)定方法。

背景技術(shù)

使用空間繩系機(jī)器人的軌道垃圾拖曳移除，因其高靈活性和高安全性而備受矚目。

在實(shí)施拖曳移除前，空間平臺(tái)將釋放繩系智能飛爪對(duì)失控非合作目標(biāo)進(jìn)行抓捕。由于非合作目標(biāo)處于失穩(wěn)狀態(tài)且有殘余角速度，抓捕后的系繩張力相對(duì)于目標(biāo)體的方位取決于當(dāng)時(shí)的目標(biāo)體姿態(tài)。此外，抓捕位置也很可能不在目標(biāo)體的慣量主軸上。這意味著在隨后的拖曳中，偏置的系繩張力會(huì)對(duì)目標(biāo)體姿態(tài)產(chǎn)生較大的干擾力矩，進(jìn)一步加劇目標(biāo)體的不穩(wěn)定，甚至引發(fā)目標(biāo)體與系繩的纏繞。一旦發(fā)生纏繞，系繩張力將激增，并將兩端航天器拉向彼此增加碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。因此，如何高效地穩(wěn)定非合作目標(biāo)的姿態(tài)是拖曳移除的關(guān)鍵技術(shù)之一。

對(duì)于此，國內(nèi)學(xué)者已在拖曳移除非合作目標(biāo)姿態(tài)穩(wěn)定方面提出了諸多策略，例如：在《中國科學(xué)》上發(fā)表的《帶剛性臂的空間繩系機(jī)構(gòu)偏置控制》，采用固連于末端機(jī)構(gòu)上的剛性臂來形成控制的偏置，用以對(duì)空間繩系機(jī)構(gòu)進(jìn)行位姿耦合的最優(yōu)控制。在《北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)》上發(fā)表的《空間繩系拖拽系統(tǒng)擺動(dòng)特性和平穩(wěn)控制》，采用留位和阻尼控制相結(jié)合的系繩張力復(fù)合控制，用以消除目標(biāo)體擺動(dòng)并保持星間相對(duì)距離。

同樣地，國外學(xué)者也在此領(lǐng)域做了大量的研究。例如，《Attitude Control of ATethered Space Robot by Link Motion Under Microgravity》和《Offset Control oftethered Satellite Systems:Analysis and Experimental Verification》提出了采用PD控制律的連桿擺動(dòng)策略來穩(wěn)定目標(biāo)體姿態(tài)?！禨elf-Stabilizing Attitude Control forSpinning Tethered Formations》采用了系繩連接點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)阻尼器來吸收目標(biāo)體的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能，從而達(dá)到穩(wěn)定姿態(tài)的效果。

發(fā)明內(nèi)容

要解決的技術(shù)問題

為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種拖曳變軌中利用系繩/連桿的目標(biāo)星姿態(tài)穩(wěn)定方法，不消耗智能飛爪的推力燃料，且無需復(fù)雜的張力控制技術(shù)，此外也不影響平臺(tái)軌道的設(shè)計(jì)，因此具有較高的實(shí)用性。

技術(shù)方案

一種拖曳變軌中利用系繩與連桿的目標(biāo)星姿態(tài)穩(wěn)定方法，其特征在于步驟如下：

步驟1、建立考慮兩端姿態(tài)與系繩特性的組合體變軌動(dòng)力學(xué)模型：

A.利用高斯攝動(dòng)方程建立平臺(tái)質(zhì)心軌道模型：

其中Ξ＝a,e,i,Ω,ω,f ^T為空間平臺(tái)質(zhì)心的軌道元素。其中a為空間平臺(tái)質(zhì)心軌道半長軸，e為平臺(tái)質(zhì)心軌道離心率，i為平臺(tái)軌道傾角，Ω為平臺(tái)軌道升交點(diǎn)赤經(jīng)，ω為平臺(tái)軌道近地點(diǎn)幅角，f為平臺(tái)軌道真近點(diǎn)角。p＝a(1-e²)，μ為萬有引力常量，軌道半徑d＝d_r,d_θ,d_h^T為在軌道系下作用于平臺(tái)的非保守合外力產(chǎn)生的加速度；

所述