[發明專利]一種適用于空間機器人執行器故障下的快速姿態穩定方法

有效

• 申請號: 201710094046.8
• 申請日: 2017-02-21
• 公開（公告）號: CN106708078B
• 公開（公告）日: 2019-08-06
• 發明（設計）人: 代洪華;張滕;馬川;岳曉奎;袁建平
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 齊書田

本發明公開了一種適用于空間機器人執行器故障下的快速姿態穩定方法，在建立系統動力學模型基礎上，獲得逆動力學模型，并針對其特性獲得給定基座姿態運動條件下的控制力矩與機械臂關節運動之間的關系。考慮到執行機構出現故障與輸出力矩幅值、方向限定的問題，確定系統穩定所需經過的平衡姿態，使得在此姿態下控制力矩能夠平衡系統角動量。考慮到基座初始的運動狀態與平衡姿態，結合約束，獲得基座在整個穩定過程中的姿態角變化，輸入到控制模型中，獲得相應的執行機構工作狀況與機械臂各關節轉動規律。相比較于傳統的考慮執行器故障的控制方法，本方法首次實現了在只能提供單軸力矩下的基座穩定控制，且整個穩定過程所消耗的時間大幅減少。

技術領域

本發明涉及航天領域的空間在軌服務技術，具體涉及一種適用于空間機器人執行器故障下的快速姿態穩定方法。

背景技術

航天器在軌服務的對象多種多樣，其中動力失效的衛星或空間碎片占據很大比例。對于此類目標，由于自身殘余角動量的存在，往往處于旋轉狀態。當空間機器人抓捕之后，包含機器人與目標的整個系統也將處于旋轉狀態，此時若無法實現基座姿態的快速穩定，將降低系統性能甚至可能導致機器人解體。

為滿足通信等任務的需求，空間機器人姿態具有指向性要求。在空間機器人執行任務期間，存在著姿態控制系統出現故障的情形，此時若按照原有的姿態穩定算法將可能導致基座失穩甚至解體。因此研究空間機器人在執行器出現故障下的基座姿態快速穩定算法是十分必要的。

對于空間機器人而言，整個系統的轉動慣量與系統構型息息相關。若按照傳統考慮姿態單體系統的姿態穩定算法，將有可能導致控制器性能的降低，甚至發生失穩現象。在捕獲碎片之后，由于系統自身質心的改變，將使得其相對于自身質心的轉動慣量非常大，而姿態控制系統所輸出的控制力矩幅值往往較小，此時即使控制率能夠實現基座穩定，但整個穩定過程的調節時間非常長。目前最常用的考慮執行器故障下的姿態穩定方法是考慮物體三軸姿態運動之間的耦合效果，通過控制兩軸的角運動進行控制來實現整個系統的三軸穩定。這種控制方法對于系統的轉動慣量存在著約束，且整個過程調節時間長，需要噴氣發動機消耗大量燃料，這將縮短系統運行周期，增加任務成本。同時現有研究成果只能解決姿態控制系統提供兩軸力矩的情況，對于只能提供單軸力矩的情形，仍然沒法實現基座的穩定。

發明內容

本發明的目的在于提供一種適用于空間機器人執行器故障下的快速姿態穩定方法，以克服上述現有技術存在的缺陷，本發明利用了空間機器人機械臂的冗余度與運動和基座運動之間的耦合效應，能夠實現在姿態控制系統僅能提供單軸力矩情況下的基座姿態快速穩定，相比較于傳統針對單體系統的動力學建模方法，能夠加快收斂速度，同時也能夠減少燃料的消耗。

為達到上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種適用于空間機器人執行器故障下的快速姿態穩定方法，包括如下步驟：

1)利用遞推法建立捕獲目標之后的空間機器人系統動力學模型；

2)對所建立的動力學模型進行變量分離，得到逆動力學模型；

3)通過對逆動力學模型進行處理得到機械臂運動與控制力矩之間的協調控制模型；

4)將設計的基座姿態運動角加速度與規劃的控制力矩信息輸入到協調控制模型中，最后根據基座始末狀態及平衡姿態，利用協調控制模型規劃出基座與機械臂運動軌跡。

進一步地，步驟1)具體為：

將基座與慣性系的連接假設成一個六自由度虛鉸，其中三個表示轉動，三個表示平動，這樣包括基座在內的整個空間機器人系統由若干個鉸連接組成，將各個鉸坐標選取為系統廣義坐標，利用遞推型多體系統動力學建模方法，結合系統參數，建立捕獲旋轉目標之后的系統動力學模型，其表達式為：