[發明專利]一種空間多機器人協同操作的分布式能量均衡方法

有效

• 申請號: 202010514075.7
• 申請日: 2020-06-08
• 公開（公告）號: CN111633656B
• 公開（公告）日: 2022-11-11
• 發明（設計）人: 常海濤;黃攀峰;劉正雄;張帆;馬志強;孟中杰;張夷齋
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 西安凱多思知識產權代理事務所(普通合伙) 61290
• 代理人: 王鮮凱

1.一種空間多機器人協同操作的分布式能量均衡方法，其特征在于：系統中的控制單元分為推力控制單元和力矩控制單元，其中，系統中推力控制單元數量為m，每個單元包含推力器N個；力矩控制單元數量為n，每個力矩控制單元數量包含3個正交分布的反作用飛輪；采用列表L_f＝[ID_f1,ID_f2,...,ID_fm]，L_t＝[ID_t1,ID_t2,...,ID_tn]表示推力控制單元和力矩控制單元的ID值；方法步驟如下：

步驟1、初始化下列數據：

控制單元ID_i∈L_f或ID_i∈L_t，初始化標記列表x_i＝0_n×1；任務列表T_i＝0_4×n；任務隊列p_i為空隊列；評估列表y_i＝0_n×1，歸屬列表z_i＝0_n×1；任務反饋數據a_i＝0_3×n；本地輸出數據b_i＝0_N×n；數據轉發記錄c_i＝0_n×1，信息交互計數u_i＝0；

同步開始記時s_i＝0；

步驟2、力矩控制單元角動量飽和檢測：

設去飽和控制閾值為r_lim，其中r_lim∈(01)

力矩控制單元ID_j∈L_t，讀取其中所有反作用飛輪的轉速r_j＝[r_jx r_jy r_jz]^T，其中r_jx,r_jy,r_jz分別為其x、y、z軸反作用飛輪的轉速；

若|r_jz|，|r_jy|，|r_jz|三項中任意一項大于r_lim，則令力矩控制單元ID_j的角動量飽和信息為：

反之，則令t_j的第一個元素ID_j表示t_j所對應的信息來源

然后，將角動量飽和信息t_j賦值給T_j第j列,即令T_j(:,j)＝t_j，然后將t_j發送到所有相鄰控制單元，并令c_jj＝1；

步驟3、角動量飽和信息交互：

所有控制單元均參與角動量飽和信息的交互，根據控制單元ID_k的類型和其收到的角動量飽和信息的不同可以分為以下兩種情況：

情況1：若控制單元的標識ID_k∈L_t，則其為力矩控制單元，所處理的信息為相鄰控制單元α發送的角動量飽和信息t_β，則進行下述操作：

讀取t_β中的第一個元素，確定角動量飽和信息t_β的來源執行單元的ID_β＝t_β1，根據ID_β檢查對應的c_kβ是否為0，若c_kβ＝0則將t_β賦值給T_k第β列,即令T_k(:,β)＝t_β，并將t_β轉發到所有相鄰控制單元，并令c_kβ＝1；若c_kβ＝1則忽略；

情況2：若控制單元的標識ID_k∈L_f，則其為推力控制單元，所處理的信息為相鄰控制單元γ發送的角動量飽和信息t_δ，則進行下述操作：

讀取t_δ中的第一個元素，確定角動量飽和信息t_δ的來源執行單元的ID_δ＝t_δ1，根據讀取到的ID_δ檢查對應的c_kδ是否為0， 若c_kδ＝0則將t_δ賦值給T_k的第δ列，即令T_k(:,δ)＝t_δ，將t_δ轉發到所有相鄰控制單元，并令c_kδ＝1；若c_kδ＝1則忽略；

循環本步驟，直至記時s_k≥s_lim，其中s_lim為算法設置值；

步驟4、各推力控制單元計算評估數據：

對于以推力控制單元ID_p∈L_f：

(1)令q＝1

(2)判斷x_pq值，若x_pq＝1，則進行步驟(3),反之繼續；

設推力控制單元ID_p的力矩控制效率矩陣為B_p，由推力器安裝位置和方向相關，為航天器控制領域通用技術；

讀取T_p的第q列，得到數據t_q,t_q的第2至4個元素為執行單元ID_q的反作用飛輪轉速r_q；

記r_q的3個元素中的絕對值最大的為第v個元素，通過求解下式，得到推力控制單元p對于r_q的最優推力輸出f_pq

其中τ_max為力矩執行單元的最大輸出力矩，由其反作用飛輪選型參數決定；τ_pq＝B_pf_pq；

若無滿足約束的解，則令x_pq＝0，y_pq＝-1，并轉向步驟(3)，反之繼續；

計算評估數據函數g(x)為任意單調遞增函數，且g(0)＝0；

所述系數

對比記錄的y_pq與計算得到的若則令x_pq＝1，z_pq＝ID_p，b_pq＝f_pq；若則令x_pq＝0；若則對比z_pq與ID_p，若ID_p＜z_pq，則令x_pq＝1，z_pq＝ID_p，b_pq＝f_pq，反之則令x_pq＝0；

其中表示隊列尾部添加操作；

(3)若q＜n，則令q＝q+1，返回步驟(2)；反之繼續步驟5；

步驟5、評估數據協調：

所有控制單元之間進行數據交互,當控制單元ID_ε，接收到控制單元的ID_η的z_η和y_η，a_η，然后進行下述處理：

(a)令ζ＝1

(b)對比z_ηζ和z_εζ，若z_ηζ＝ID_η，進行步驟(c1)；若z_ηζ＝ID_ε則進行步驟(d1)；若z_ηζ＝ID_θ，則進行步驟(e1)；若z_ηζ＝0，則進行步驟(f1)；

(c1)判斷z_εζ，若z_εζ＝ID_η或z_εζ＝0，則進行步驟(g)；反之進行步驟(c2)

(c2)判斷z_εζ，若z_εζ＝ID_ε或z_εζ＝ID_p,則進一步判斷y_ηζ和y_εζ，若y_ηζ＞y_εζ，則進行步驟(g)；反之跳轉步驟(i)；

(d1)判斷z_εζ，若z_εζ＝ID_ε或z_εζ＝0，則進行步驟(i)，反之進行步驟(d2)；

(d2)判斷z_εζ，若z_εζ＝ID_η，則進行步驟(h)，否則進行步驟(d3)

(d3)判斷z_εζ，若z_εζ＝ID_ι，則進一步判斷y_ηζ和y_εζ，若y_ηζ＞y_εζ，則進行步驟(h)，否則直接進行步驟(i)

(e1)判斷z_εζ，若z_εζ＝ID_η或z_εζ＝0，則進行步驟(g)，否則進行步驟(e2)

(e2)判斷z_εζ，若z_εζ＝ID_ε或z_εζ＝ID_κ,或z_εζ＝ID_λ,則進一步判斷y_ηζ和y_εζ，若y_ηζ＞y_εζ,則進行步驟(g)，否則直接進行步驟(i)

(f1)判斷z_εζ，若z_εζ＝ID_η，則進行更新，否則進行步驟(i)

(g)執行賦值操作x_εζ＝0，y_εζ＝y_ηζ，z_εζ＝z_ηζ，a_εζ＝a_ηζ，查找p_ε，找到元素ID_ζ，刪除元素ID_ζ,讀取p_ε中ID_ζ之后的所有ID_π，刪除ID_π并令對應x_επ＝0，y_επ＝0，z_επ＝0，a_επ＝0，然后跳轉步驟(i)；

(h)執行賦值操作y_εζ＝0，z_εζ＝0，a_εζ＝0，查找p_ε，找到元素ID_ζ，刪除元素ID_ζ,讀取p_ε中ID_ζ之后的所有刪除并令對應然后跳轉步驟(i)；

(i)若ζ＝N則進行步驟(j)，反之令ζ＝ζ+1，返回步驟(b)；

(j)令計數u_ε＝u_ε+1，若u_ε＜u_lim則進行步驟五，反之進行步驟六；其中u_lim為交互數限制，設置u_lim∈[10 1000]；

步驟6、控制輸出：

所有力矩控制單元輸出力矩，ID_ξ∈L_t,ξ＝1,2,...,n，輸出力矩τ_ξ為a_ξ的第ξ列；

所有推力控制單元輸出推力，ID_ψ∈L_f,ψ＝1,2,...,m，輸出推力為

2.根據權利要求1所述空間多機器人協同操作的分布式能量均衡方法，其特征在于：所述s_lim取值范圍為s_lim＞DΔt，其中D為控制單元連接拓撲無向圖的直徑，Δt為控制單元之間的信息交互間隔，二者都有系統設計時即確定。