[發明專利]空間繩系機器人近距離抓捕后回收目標的自適應控制方法

有效

• 申請號: 201611049852.5
• 申請日: 2016-11-24
• 公開（公告）號: CN106855690B
• 公開（公告）日: 2020-04-03
• 發明（設計）人: 張帆;黃攀峰;孟中杰;劉正雄;張夷齋
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 王鮮凱

本發明涉及一種空間繩系機器人近距離抓捕后回收目標的自適應控制方法，首先推導了由繩系機器人和被抓捕的目標衛星所組成的復合體，在回收過程中系統的動力學方程，然后通過李雅普諾夫定理，設計了回收過程中的控制力/力矩，設計了復合體動力學參數的辨識律，從而達到復合體的穩定回收。本發明首次提出了待回收復合體的動力學參數辨識律，可以使得整個回收過程，控制量的計算更加精準，從而回收更加平穩。本發明使得空間繩系機器人抓捕非合作目標后所組成的復合體，可以通過系繩拉力穩定快速回收，該方法可以在復合體動力學參數的基礎上，克服系繩回收問題中的天然不穩定性，將復合體穩定回收。

技術領域

本發明屬于航天器控制技術研究領域，涉及一種空間繩系機器人近距離抓捕后回收目標的自適應控制方法。

背景技術

由于空間繩系機器人在抓捕非合作目標任務時所展現出的靈活、安全、低成本等優越性，空間繩系機器人在太空垃圾清理、失效衛星救助等方面有著潛在應用價值。尤其近年來太空垃圾數量增長迅速，失效衛星(非合作衛星)的清除清理問題已被很多國家提上日程。因為繩系機器人的可機動飛行能力，其在抓捕目標衛星時，主衛星一直處于安全區域。且繩系機器人可多次重復工作。空間繩系機器人被認為是一種可靠的清理失效衛星的方法。

根據不同的動力學和控制特點分類，整個任務可以分成釋放/逼近過程，抓捕/抓捕后穩定過程，目標回收過程三個階段。目前現有的發明專利，其發明點大部分都集中在逼近和抓捕/抓捕后兩個階段：申請號為CN201310018189.2的中國專利提出了一種空間繩系機器人系統逼近目標協調控制方法，使得空間繩系機器人可以穩定逼近目標；申請號為CN201310018221.7的中國發明專利，提出了一種空間繩系機器人目標抓捕后復合體姿態協調控制方法，可以使得新系統快速穩定；目前為止，申請號為 CN201410341359.5的中國發明專利，提出一種基于空間系繩抓捕系統的非合作目標質量辨識方法，為非合作目標抓捕后的自適應穩定回收控制奠定了一定基礎。

由于系繩回收本身的負阻尼天然不穩定特性，以及近距離抓捕后復合體姿態對系繩運動影響較大，所以空間繩系機器人與被抓捕目標組成的復合體的近距離回收問題，同時包含了復合體的動力學參數辨識和回收控制兩個問題，控制器設計較復雜。回收問題是整個繩系機器人任務的最后一階段，也是任務成敗的關鍵。

發明內容

要解決的技術問題

為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種空間繩系機器人近距離抓捕后回收目標的自適應控制方法，將目標穩定快速回收的自適應方法。

技術方案

一種空間繩系機器人近距離抓捕后回收目標的自適應控制方法，其特征在于步驟如下：

步驟1、建立復合體回收過程的動力學方程：

其中：q為系統廣義坐標系，是n×1的列向量；τ是系統的控制輸入力/力矩，為n×1的列向量；M(q)是一個n×n的正定且對稱的慣性矩陣；是一個n×n矩陣；G(q) 是一個n×1的列向量；

所述系統的廣義坐標系q為系統的狀態，是時間的函數，q(t)和τ(t)均表示為q和τ；

步驟2、計算回收所需要的控制輸入τ：

其中：Ξ為一個正定的且時變矩陣；分別為矩陣M(q)，G(q)的辨識值；K均為正定對稱矩陣；系統狀態q(t)的期望狀態為q_d(t)；

所述為三個慣性矩陣辨識值與真實值的誤差；

步驟3、計算復合體的動力學參數的辨識律

其中：是一個動力學回歸矩陣，Γ為正定對稱矩陣；