[發明專利]捕獲衛星后組合航天器的自適應增益調整控制方法

有效

• 申請號: 201710727607.3
• 申請日: 2017-08-23
• 公開（公告）號: CN109426147B
• 公開（公告）日: 2022-02-08
• 發明（設計）人: 梁捷;李樹民;劉烽;徐海航;梁武林
• 申請（專利權）人: 中國空氣動力研究與發展中心計算空氣動力研究所
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 中國工程物理研究院專利中心 51210
• 代理人: 翟長明;韓志英

本發明公開了一種捕獲衛星后組合航天器的自適應增益調整控制方法，首先，在耦合空間機械臂系統捕獲目標衛星操作過程動量、沖量的傳遞的基礎上，建立了適用于漂浮基空間機械臂系統捕獲目標衛星控制系統設計的組合航天器數學模型，并在此基礎上計算出完成捕獲操作后組合航天器關節的運動速度。然后針對目標衛星及空間機械臂系統慣性參數均是未知的復雜情況，應用上述模型、模糊控制理論、滑模控制理論及Lyapunov穩定性理論，發明了一種組合航天器在捕獲過程碰撞沖擊影響下穩定運動的模糊自適應增益調整滑模控制方法，以達到對捕獲衛星的有效控制。

技術領域

本發明屬于航天器控制技術領域。具體涉及一種捕獲衛星后組合航天器的自適應增益調整控制方法。

背景技術

由于空間機械臂最早是在美國航天飛機、國際空間站及復雜航天器^[1]上使用的，主要承擔的是衛星釋放或空間站組件的在軌組裝工作，因此主要涉及到的是非抓捕過程空間機械臂完成特定任務操作的運動學規劃、動力學與控制問題。隨著空間機械臂技術的不斷發展、成熟，空間機械臂具有對衛星的在軌捕獲、服務、維修等操作能力是空間機械臂技術發展的必然趨勢。但目前相關研究開展得并不多，且主要以減小抓取沖擊的運動學規劃及抓捕過程的動力學分析為主，有關控制問題的研究較少。值得注意的是，由于空間機械臂所處的復雜太空失重環境，使得具有與地面固定基機械臂系統完全不同的動力學特性及限制條件，由于空間機械臂系統的載體為自由漂浮狀態，系統結構呈現出非線性和強耦合性，因此無法將慣常用于地面固定機械臂的控制方法直接推廣、應用于空間機械臂控制系統中，當系統存在未知參數時，問題表現的尤其突出。同時，捕獲操作后空間機械臂系統與目標衛星組成的組合航天器鎮定控制涉及的動力學模型除了具有上述空間機械臂系統模型具有的難點外，還耦合了空間機械臂系統捕獲目標衛星操作過程動量、沖量的傳遞問題，且是疊加了空間機械臂系統與目標衛星兩者動力學問題的組合模型；復雜程度、關聯程度較比單空間機械臂模型更大，因此相關鎮定控制系統設計問題的研究難度更大，挑戰性更高。

有關空間機械臂系統的捕獲問題已在在相關專利CN104537151和CN104526695中已披露。但是這些控制方法，多僅涉及空間機械臂系統的捕獲問題中的碰撞動力學建模或捕獲問題的軌跡規劃，而對空間機械臂系統捕獲衛星后組合航天器鎮定控制方法，則少有涉及，同時由于復雜的太空失重環境以及空間機械臂末端爪手與被捕獲目標衛星接觸時，會不可避免地發生碰撞而產生碰撞力，使得空間機械臂系統在軌捕獲衛星后組合航天器控制問題遠較未涉及捕獲過程操作的空間機械臂系統問題復雜，是現有控制技術中有待解決的問題。

發明內容

本發明要解決的技術問題是公開一種捕獲衛星后組合航天器的自適應增益調整控制方法，以此獲得組合航天器存在不確定因素情況下，控制系統對期望軌跡漸近穩定的跟蹤控制效果。

本發明的技術解決方案原理是：首先，在耦合空間機械臂系統捕獲目標衛星操作過程動量、沖量的傳遞的基礎上，建立了適用于漂浮基空間機械臂系統捕獲目標衛星控制系統設計的組合航天器數學模型，并在此基礎上計算出完成捕獲操作后組合航天器關節的運動速度。然后針對目標衛星及空間機械臂系統慣性參數均是未知的復雜情況，應用上述模型、模糊控制理論、滑模控制理論及Lyapunov穩定性理論，發明了一種組合航天器在捕獲過程碰撞沖擊影響下穩定運動的模糊自適應增益調整滑模控制方法，以達到對捕獲衛星的有效控制。發明的控制方法不僅不要求系統動力學方程關于慣性參數呈線性函數關系，而且也不需要預知系統慣性參數；由于在組合航天器動力學方程的推導中消去了空間機械臂系統航天飛機載體的位置、速度和加速度量，所以該控制方法具有不需要測量和反饋載體位置、速度和加速度的顯著優點。這對在軌服務比如捕獲失效衛星進行維修和更換器件等操作具有重要現實意義。

本發明的捕獲衛星后組合航天器的自適應增益調整控制方法，包括如下步驟：

步驟A：建立空間機械臂系統的動力學方程；