[發明專利]一種空間機器人燃料最省的協調控制方法

有效

• 申請號: 201811621147.7
• 申請日: 2018-12-28
• 公開（公告）號: CN109460069B
• 公開（公告）日: 2021-03-23
• 發明（設計）人: 羅建軍;宗立軍;王明明;袁建平
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G05D1/12
• 分類號: G05D1/12;G05B13/04
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 劉新瓊

本發明涉及一種空間機器人系統基座和臂的協調控制方法，其中，在系統質心處設計了基座推進器燃料最省的最優控制律，利用飽和函數代替輸入不等式約束，使得最優控制問題可以被變分法求解，具有求解速度快、解的精度高、方便在線應用等優點。此外，考慮了反作用飛輪等基座姿態執行器只能提供較小、有限的力矩，在基座姿態執行器飽和時，可以利用臂的運動產生恰當的反作用力矩，保證了基座姿態可以被控制到期望值。

技術領域

本發明屬于空間機器人抓捕目標的控制方法研究技術領域，具體涉及一種空間機器人近距離逼近目標階段基座航天器和臂協調控制方法。

背景技術

空間機器人可以用于故障衛星維護、大型航天器在軌安裝、以及空間碎片清理等任務。在空間機器人近距離逼近目標階段，考慮燃料消耗最少以及基座航天器反作用飛輪等姿態執行器只能提供有限控制力矩增大了基座和臂協調控制設計的難度。現有的基座和臂的協調控制律沒有考慮對燃料消耗最少或/和沒有考慮反作用飛輪等姿態執行器可能無法提供設計的基座姿態控制力矩(見參考文獻A.Flores-Abad,Z.Wei,O.Ma,K.Pham,Optimal control of space robots for capturing a tumbling object withuncertainties,Journal of Guidance,Control,and Dynamics.2014,37(6):2014-2017；E.Papadopoulos,S.Dubowsky,Coordinated manipulator/spacecraft motion controlfor space robotic systems,in:Robotics and Automation,IEEE InternationalConference on,IEEE,1991,pp.1696-1701.)。為實現燃料最省，需要研究空間機器人的最優控制律，現有的空間機器人最優控制律大都針對自由漂浮空間機器人(見參考文獻P.Huang,Z.Hu,Z.Meng,Coupling dynamics modelling and optimal coordinatedcontrol of tethered space robot,Aerospace Science and Technology.2015,41:36-46；M.Wang,J.Luo,U.Walter,A non-linear model predictive controller withobstacle avoidance for a space robot,Advances in Space Research.2016,57(8):1737-1746.)，且很多使用“直接法”求解得到的最優控制問題，需要通過迭代才能收斂到最優解，存在計算量大、解不準確、可能不適合在線應用的缺點(見參考文獻A.V.Rao,Asurvey of numerical methods for optimal control,Advances in the AstronauticalSciences.2009,135(1):497-528.)。如果使用“間接法”求解最優控制問題，一旦最優控制問題中出現不等式約束，則無法使用常規的變分法，而只能使用龐特里亞金極小值原理求解(見參考文獻L.S.Pontryagin,Mathematical theory of optimal processes,Routledge,2018.)。由于使用龐特里亞金極小值原理時可能遇到奇異弧等問題，一些最優控制研究考慮使用飽和函數代替不等式約束，消除了不等式約束，使得轉化后的最優控制問題可以使用變分法求解(見參考文獻K.Graichen,A.Kugi,N.Petit,F.Chaplais,Handling constraints in optimal control with saturation functions and systemextension,SystemsControl Letters.2010,59(11):671-679.)。針對基座姿態執行器可能無法提供需要的控制力矩時，一些研究提出可以利用臂與基座之間的動力學耦合效應來通過臂的運動產生反作用力矩控制基座姿態(見參考文獻S.Cocuzza,I.Pretto,S.Debei,Least-squares-based reaction control of space manipulators,Journal ofGuidance,Control,and Dynamics.2012,35(3):976-986.)。本發明提出一種空間機器人燃料最省以及考慮了基座姿態執行器作用力矩有限的基座和臂的協調控制方法。其中，在空間機器人系統質心處設計基座推進器推力的最優控制律，關于輸入的不等式約束被表示為飽和函數，使得空間機器人燃料最省的最優控制問題可以使用變分法求解，具有計算量小、結果準確以及方便在線應用等優點。此外，在基座姿態執行器飽和時，設計了臂的運動來產生適當的反作用控制力矩，保證了基座姿態可以跟蹤期望軌跡。