[發(fā)明專利]一種空間機器人在軌抓捕過程的柔順與協調控制方法

有效

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• 申請日: 2017-03-23
• 公開（公告）號: CN106891335B
• 公開（公告）日: 2019-08-09
• 發(fā)明（設計）人: 葛東明;王大軼;鄒元杰;柳翠翠;鄧潤然;于登云;史紀鑫
• 申請（專利權）人: 北京空間飛行器總體設計部
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16;B25J11/00;B25J13/00
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 范曉毅

本發(fā)明公開了一種空間機器人在軌抓捕過程的柔順與協調控制方法，包括：根據動力學和運動學方程，建立面向控制的空間機器人模型；根據面向控制的空間機器人模型，建立機械臂柔順抓捕控制律；確定基于基座噴氣裝置的基座位姿控制律；根據機械臂柔順抓捕控制律，建立機械臂柔順控制回路；根據所述基座位姿控制律和PSR偽速率脈沖調制器，建立基座位姿控制回路；將所述機械臂柔順控制回路和基座位姿控制回路計算得到的控制量分別作為空間機器人系統的機械臂和基座噴氣裝置的控制輸入；同時，將基座的控制力作為前饋項，輸入給機械臂控制律，以補償基座控制對機械臂末端柔順控制的干擾。本發(fā)明在實現對目標的穩(wěn)定抓捕的同時保證了基座的穩(wěn)定性。

技術領域

本發(fā)明屬于空間技術領域，尤其涉及一種空間機器人在軌抓捕過程的柔順與協調控制方法。

背景技術

故障航天器在軌維修、失效衛(wèi)星拯救、廢棄衛(wèi)星減緩回收等已成為航天技術發(fā)展面對和待解決的現實問題，無人空間機器人是解決這些問題的關鍵技術之一。由于故障航天器一般不具備專門的合作機構，且往往處于自旋或翻滾狀態(tài)，針對此類非合作目標的交會對接/捕獲技術是未來自主在軌服務發(fā)展的重要方向。

空間操作任務的最重要的階段之一是接觸碰撞階段。在捕獲具有較高角速度和較大慣量載荷時，抓捕手不可避免地與目標發(fā)生接觸碰撞甚至激振等行為，碰撞力會給空間機器人系統加載額外的動量，造成系統姿態(tài)失穩(wěn)，甚至是機械臂或抓捕機構的破壞等。此外，空間機器人是動基座系統，與固定基座機械臂相比，空間機器人抓捕過程動力學的最大特點是機械臂與基座之間存在著嚴重的動力學耦合，即機械臂運動會對基座產生反作用力和力矩，從而改變基座的位姿。為了克服機械臂運動對基座姿態(tài)的擾動，基于噴氣裝置的位姿控制是非常必要的。

空間機器人動力學特有的高度非線性、強耦合及非完整約束等特點，使得系統的控制算法設計遇到許多獨特困難。將碰撞視為沖擊力，基于碰撞前后的動量守恒關系，給出了一些減小碰撞沖擊或對基座姿態(tài)影響最小的控制方法，如反作用零空間方法，偏置角動量方法等。為解決機械臂末端與目標在接觸碰撞過程中的動態(tài)耦合問題，給出了一些阻抗匹配控制方法。為解決基座姿態(tài)的穩(wěn)定問題，給出了基于角動量補償的星臂協調控制方法。目前的這些方法主要關注基座不受控的自由漂浮模式，忽略了抓捕過程的復雜接觸碰撞過程，只適用于短暫的抓取過程，時間過長會導致機械臂奇異，以及造成基座姿態(tài)大范圍變化，而無法滿足通訊設備對地定向和太陽翼對日定向的需求。

發(fā)明內容

本發(fā)明的技術解決問題：克服現有技術的不足，提供一種空間機器人在軌抓捕過程的柔順與協調控制方法，在實現對目標的穩(wěn)定抓捕的同時保證了基座的穩(wěn)定性。

為了解決上述技術問題，本發(fā)明公開了一種空間機器人在軌抓捕過程的柔順與協調控制方法，包括：

根據動力學和運動學方程，建立面向控制的空間機器人模型；

根據所述面向控制的空間機器人模型，建立機械臂柔順抓捕控制律；

確定基于基座噴氣裝置的基座位姿控制律；

根據所述機械臂柔順抓捕控制律，建立機械臂柔順控制回路；

根據所述基座位姿控制律和PSR偽速率脈沖調制器，建立基座位姿控制回路；

將所述機械臂柔順控制回路和基座位姿控制回路計算得到的控制量分別作為空間機器人系統的機械臂和基座噴氣裝置的控制輸入；同時，將基座的控制力作為前饋項，輸入給機械臂控制律，以補償基座控制對機械臂末端柔順控制的干擾。

在上述空間機器人在軌抓捕過程的柔順與協調控制方法中，所述根據動力學和運動學方程，建立面向控制的空間機器人模型，包括：

將空間機器人系統作為典型多體結構，根據空間機器人系統的自由度，應用第二類拉格朗日方程，得到如下動力學方程：