CN105353790A - 一种空间绳系机器人目标抓捕后复合体稳定控制方法 - Google Patents
一种空间绳系机器人目标抓捕后复合体稳定控制方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105353790A CN105353790A CN201510794393.2A CN201510794393A CN105353790A CN 105353790 A CN105353790 A CN 105353790A CN 201510794393 A CN201510794393 A CN 201510794393A CN 105353790 A CN105353790 A CN 105353790A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- centerdot
- complex
- rope system
- space rope
- control method
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Landscapes
- Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)
Abstract
本发明公开了一种空间绳系机器人目标抓捕后复合体稳定控制方法,包括以下步骤:1)建立空间绳系机器人目标抓捕后复合体动力学方程;2)计算虚拟控制输入ξ2c;3)计算得到期望***状态量ξ2d;4)估计抓捕后复合体模型不确定性;5)计算抓捕后复合体稳定控制力和控制力矩Q。本发明考虑了系绳放绳速度限制情况下,利用指令滤波方法,进行控制器设计,保证了控制器的稳定性。本发明设计了自适应律,对复合体不确定性进行估计,并在控制器中进行补偿,提高了控制精度。本发明通过滤波器对控制输入进行限制,从而提高控制器的稳定性。
Description
【技术领域】
本发明属于航天器控制技术研究领域,具体涉及一种空间绳系机器人目标抓捕后复合体稳定控制方法。
【背景技术】
空间绳系机器人由于其灵活、安全、燃料消耗低等特点,在空间在轨服务中有着广泛的作用,可以进行失效卫星救助、太空垃圾清理、辅助变轨等操作。
根据空间绳系机器人的任务流程,可以分为释放、逼近目标、目标抓捕、目标抓捕后稳定和目标捕获后操作五个阶段,其中目标抓捕后复合体稳定控制是空间绳系机器人的主要研究之一。
空间绳系机器人对目标抓捕后,由于碰撞和目标的自旋,导致抓捕后复合体的姿态不稳定,不施加控制会发生系绳缠绕等不利情况,系绳拉力对平台本身产生巨大干扰,因此,需要对抓捕后复合体的姿态进行控制。由于空间机器人自身的控制力矩较有限,抓捕后复合体进行稳定控制时,会出现推力器输入饱和受限情况,对复合体控制性能会产生较大的影响。此外,由于放绳机构的限制和安全因素的考虑,系绳的收放速度受到限制,因此,需要设计合适的控制策略,保证系绳收放速度受限情况下复合体姿态控制的稳定性。
目标抓捕后复合体稳定是空间绳系机器人的重要任务之一,目标抓捕后复合体稳定控制直接影响后续拖曳变轨或者回收操作任务的顺利进行,它成为空间绳系机器人领域的研究重点。
申请号为:201310018221.7的中国专利提出了一种空间绳系机器人抓捕后复合体控制方法,利用推力器和系绳实现复合体的稳定控制;申请号为:201410341562.2的中国专利提出利用系绳拉力结合空间绳系机械臂的构型变化产生所需的控制力矩,从而实现复合体的姿态稳定。以上专利均仅仅考虑了复合体姿态的稳定控制,而复合体稳定控制还需要对位置进行稳定控制,因此一定程度限制了这两种控制方法的使用。
【发明内容】
本发明的目的在于解决上述问题,提供一种空间绳系机器人目标抓捕后复合体稳定控制方法,该方法可实现目标抓捕后复合***姿的稳定控制。
为达到上述目的,本发明采用以下技术方案予以实现:
一种空间绳系机器人目标抓捕后复合体稳定控制方法,包括以下步骤:
1)建立空间绳系机器人目标抓捕后复合体动力学方程;
2)计算虚拟控制输入ξ2c;
3)计算得到期望***状态量ξ2d;
4)估计抓捕后复合体模型不确定性
5)计算抓捕后复合体稳定控制力和控制力矩Q。
本发明进一步的改进在于:
所述的步骤1)中,空间绳系机器人目标抓捕动力学方程为:
其中:l为空间系绳长度;α为空间系绳面内角;β为空间系绳面外角;θ和ψ为复合体姿态角;M为***惯量矩阵;N非线性速度相关项;G重力相关项;Q为空间绳系机器人控制力与控制力矩。
所述的步骤2)中,根据计算虚拟控制输入ξ2c,其中K1为设计的正定矩阵;ξ1e=ξ1-ξ1d,其中ξ1=ξ,ξ1d为ξ1的期望值,为ξ1e对时间的导数。
所述的步骤3)中,计算出期望***状态量ξ2d的方法为:通过一阶滤波 实现,其中ε>0。
所述的步骤4)中,复合体模型不确定性通过以下方法得到:其中,a和ελ为正数,η·η=(η1η1η2η2η3η3)T,Proj(·)投影算子;η=ξ2e-χ,χ通过滤波器得到;K2和P为正定矩阵。
所述的步骤5)中,计算抓捕后复合体稳定控制力和控制力矩Q: 其中Q为Q0通过饱和环节得到,M0为***名义惯量矩阵;N0名义非线性速度相关项;G0名义重力相关项。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
本发明空间绳系机器人目标抓捕后复合体稳定控制方法,从整体上考虑了系绳放绳速度限制情况下,利用指令滤波方法,进行控制器设计,保证了控制器的稳定性。本发明设计了自适应律,对复合体不确定性进行估计,并在控制器中进行补偿,提高了控制精度。本发明通过滤波器对控制输入进行限制,从而提高控制器的稳定性。
【附图说明】
图1为空间绳系机器人目标抓捕示意图。
图中:1.抓捕目标;2.空间绳系机器人;3.空间系绳;4.空间平台;5.地球;6.抓捕后复合体。
【具体实施方式】
以下结合附图对本发明进行详细的描述。应当指出的是,所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解,而对其不起任何限定作用。
参见图1,本发明空间绳系机器人目标抓捕后复合体稳定控制方法,包括以下步骤:
1)建立空间绳系机器人目标抓捕后复合体动力学方程
其中,***状态其中l、α和β分别为空间系绳长度、空间系绳面内角和空间系绳面外角,θ和ψ为抓捕后复合体姿态角;为广义控制力。
2)计算虚拟控制输入ξ2c
ξ1=ξ,取ξ1d为ξ1的期望值,则跟踪误差可以表示为:
ξ1e=ξ1-ξ1d
对ξ1e两边求导可以得到:
设ξ2c为ξ2的虚拟输入,设计为:
其中,K1为正定矩阵。
3)计算得到期望***状态量ξ2d
考虑到系绳放绳速度受限,因此,采用指令滤波的方法对***状态ξ2进行限制,具体方法为:
其中ε>0.
4)估计抓捕后复合体模型不确定性
ξ2e误差动力学方程可以表示为:
其中,为***不确定性,其主要由复合体质量、转动惯量和系绳连接点位置等参数的误差产生。假设***不确定性受限,存在上限λL,即||ρ(ΔM0,ΔN0,ΔG)||≤||λL||.设计自适应律对λL进行估计,得到其估计值
其中,a和ελ为正数;η·η=(η1η1η2η2η3η3)T;Proj(·)投影算子;η为修正跟踪误差,并且满足η=ξ2e-χ,其中χ通过以下一阶滤波器得到:
其中,K2为正定矩阵。
5)计算抓捕后复合体稳定控制力和控制力矩Q
根据 得到Q0,然后将Q0输入饱和环节得到Q,Q为实际的输入控制力和控制力矩;M0为***名义惯量矩阵;N0名义非线性速度相关项;G0名义重力相关项。
以上内容仅为说明本发明的技术思想,不能以此限定本发明的保护范围,凡是按照本发明提出的技术思想,在技术方案基础上所做的任何改动,均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种空间绳系机器人目标抓捕后复合体稳定控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)建立空间绳系机器人目标抓捕后复合体动力学方程;
2)计算虚拟控制输入ξ2c;
3)计算得到期望***状态量ξ2d;
4)估计抓捕后复合体模型不确定性
5)计算抓捕后复合体稳定控制力和控制力矩Q。
2.根据权利要求1所述的空间绳系机器人目标抓捕后复合体稳定控制方法,其特征在于,所述的步骤1)中,空间绳系机器人目标抓捕动力学方程为:
其中:l为空间系绳长度;α为空间系绳面内角;β为空间系绳面外角;θ和ψ为复合体姿态角;M为***惯量矩阵;N非线性速度相关项;G重力相关项;Q为空间绳系机器人控制力与控制力矩。
3.根据权利要求1所述的空间绳系机器人目标抓捕后复合体稳定控制方法,其特征在于,所述的步骤2)中,根据计算虚拟控制输入ξ2c,其中K1为设计的正定矩阵;ξ1e=ξ1-ξ1d,其中ξ1=ξ,ξ1d为ξ1的期望值,为ξ1e对时间的导数。
4.根据权利要求1所述的空间绳系机器人目标抓捕后复合体稳定控制方法,其特征在于,所述的步骤3)中,计算出期望***状态量ξ2d的方法为:通过一阶滤波 实现,其中ε>0。
5.根据权利要求1所述的空间绳系机器人目标抓捕后复合体稳定控制方法,其特征在于,所述的步骤4)中,复合体模型不确定性通过以下方法得到:其中,a和ελ为正数,η·η=(η1η1η2η2η3η3)T,Proj(·)投影算子;η=ξ2e-χ,χ通过滤波器得到;K2和P为正定矩阵。
6.根据权利要求1所述的空间绳系机器人目标抓捕后复合体稳定控制方法,其特征在于,所述的步骤5)中,计算抓捕后复合体稳定控制力和控制力矩Q: 其中Q为Q0通过饱和环节得到,M0为***名义惯量矩阵;N0名义非线性速度相关项;G0名义重力相关项。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201510794393.2A CN105353790B (zh) | 2015-11-17 | 2015-11-17 | 一种空间绳系机器人目标抓捕后复合体稳定控制方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201510794393.2A CN105353790B (zh) | 2015-11-17 | 2015-11-17 | 一种空间绳系机器人目标抓捕后复合体稳定控制方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN105353790A true CN105353790A (zh) | 2016-02-24 |
CN105353790B CN105353790B (zh) | 2017-11-28 |
Family
ID=55329777
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201510794393.2A Active CN105353790B (zh) | 2015-11-17 | 2015-11-17 | 一种空间绳系机器人目标抓捕后复合体稳定控制方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN105353790B (zh) |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105912005A (zh) * | 2016-05-16 | 2016-08-31 | 西北工业大学 | 利用系绳推力器的空间非合作目标姿态联合接管控制方法 |
CN106363646A (zh) * | 2016-05-25 | 2017-02-01 | 上海铸天智能科技有限公司 | 基于视觉伺服控制的多旋翼和机载机械臂联合位姿控制法 |
CN106502101A (zh) * | 2016-12-23 | 2017-03-15 | 西北工业大学 | 航天器抓捕目标后组合体无模型快速消旋稳定控制方法 |
CN106502260A (zh) * | 2016-12-01 | 2017-03-15 | 西北工业大学 | 空间绳系机器人抓捕挠性目标卫星后的姿态接管控制方法 |
CN106855690A (zh) * | 2016-11-24 | 2017-06-16 | 西北工业大学 | 空间绳系机器人近距离抓捕后回收目标的自适应控制方法 |
CN107220601A (zh) * | 2017-05-18 | 2017-09-29 | 西北工业大学 | 一种基于在线置信度判别的目标抓捕点预测方法 |
CN109284768A (zh) * | 2018-07-25 | 2019-01-29 | 西北工业大学 | 一种空间抓捕过程不确定性重构和预测方法 |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20100193640A1 (en) * | 2009-01-30 | 2010-08-05 | The Boeing Company | Method and apparatus for satellite orbital change using space debris |
CN103116358A (zh) * | 2013-01-15 | 2013-05-22 | 南京航空航天大学 | 一种空间飞行器绳索稳定收放控制方法 |
CN103135552A (zh) * | 2013-01-18 | 2013-06-05 | 西北工业大学 | 一种空间绳系机器人目标抓捕后复合体姿态协调控制方法 |
US20140107865A1 (en) * | 2012-10-12 | 2014-04-17 | National Aeronautics And Space Administration | System, apparatus, and method for active debris removal |
CN104252574A (zh) * | 2014-07-17 | 2014-12-31 | 西北工业大学 | 一种基于空间系绳抓捕***的非合作目标质量辨识方法 |
-
2015
- 2015-11-17 CN CN201510794393.2A patent/CN105353790B/zh active Active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20100193640A1 (en) * | 2009-01-30 | 2010-08-05 | The Boeing Company | Method and apparatus for satellite orbital change using space debris |
US20140107865A1 (en) * | 2012-10-12 | 2014-04-17 | National Aeronautics And Space Administration | System, apparatus, and method for active debris removal |
CN103116358A (zh) * | 2013-01-15 | 2013-05-22 | 南京航空航天大学 | 一种空间飞行器绳索稳定收放控制方法 |
CN103135552A (zh) * | 2013-01-18 | 2013-06-05 | 西北工业大学 | 一种空间绳系机器人目标抓捕后复合体姿态协调控制方法 |
CN104252574A (zh) * | 2014-07-17 | 2014-12-31 | 西北工业大学 | 一种基于空间系绳抓捕***的非合作目标质量辨识方法 |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
黄静 等: "欠驱动直连式三体绳系卫星非线性姿态跟踪控制", 《航空学报》 * |
Cited By (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105912005A (zh) * | 2016-05-16 | 2016-08-31 | 西北工业大学 | 利用系绳推力器的空间非合作目标姿态联合接管控制方法 |
CN105912005B (zh) * | 2016-05-16 | 2018-10-19 | 西北工业大学 | 利用系绳推力器的空间非合作目标姿态联合接管控制方法 |
CN106363646A (zh) * | 2016-05-25 | 2017-02-01 | 上海铸天智能科技有限公司 | 基于视觉伺服控制的多旋翼和机载机械臂联合位姿控制法 |
CN106363646B (zh) * | 2016-05-25 | 2019-04-09 | 上海铸天智能科技有限公司 | 一种基于视觉伺服的多旋翼飞行器和机载机械臂联合位姿控制 |
CN106855690A (zh) * | 2016-11-24 | 2017-06-16 | 西北工业大学 | 空间绳系机器人近距离抓捕后回收目标的自适应控制方法 |
CN106502260A (zh) * | 2016-12-01 | 2017-03-15 | 西北工业大学 | 空间绳系机器人抓捕挠性目标卫星后的姿态接管控制方法 |
CN106502260B (zh) * | 2016-12-01 | 2019-05-10 | 西北工业大学 | 空间绳系机器人抓捕挠性目标卫星后的姿态接管控制方法 |
CN106502101A (zh) * | 2016-12-23 | 2017-03-15 | 西北工业大学 | 航天器抓捕目标后组合体无模型快速消旋稳定控制方法 |
CN107220601A (zh) * | 2017-05-18 | 2017-09-29 | 西北工业大学 | 一种基于在线置信度判别的目标抓捕点预测方法 |
CN109284768A (zh) * | 2018-07-25 | 2019-01-29 | 西北工业大学 | 一种空间抓捕过程不确定性重构和预测方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN105353790B (zh) | 2017-11-28 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN105353790A (zh) | 一种空间绳系机器人目标抓捕后复合体稳定控制方法 | |
CN105700536B (zh) | 基于绳系拖曳***的主动星姿态和系绳摆振联合控制方法 | |
CN105159309B (zh) | 一种利用偏置系绳的空间飞行器姿态稳定控制方法 | |
CN102163057B (zh) | 一种自治飞艇平面路径跟踪控制方法 | |
CN103135552B (zh) | 一种空间绳系机器人目标抓捕后复合体姿态协调控制方法 | |
CN105182748A (zh) | 一种空间绳系机器人目标抓捕稳定控制方法 | |
CN104142687A (zh) | 一种空间绳系机械臂目标抓捕后复合体姿态稳定控制方法 | |
CN103123488B (zh) | 空间绳系机器人***逼近目标协调控制方法 | |
CN105159304A (zh) | 接近并跟踪空间非合作目标的有限时间容错控制方法 | |
Houska et al. | Robustness and stability optimization of power generating kite systems in a periodic pumping mode | |
CN103092213A (zh) | 六旋翼飞行器的轨迹跟踪控制方法 | |
CN103112603B (zh) | 欠驱动高速自旋卫星建立正常姿态的方法 | |
CN104281155B (zh) | 一种无人飞艇三维航迹跟踪方法 | |
CN103558857A (zh) | 一种btt飞行器的分布式复合抗干扰姿态控制方法 | |
CN104656447A (zh) | 一种航天器抗干扰姿态跟踪的微分几何非线性控制方法 | |
CN105607473A (zh) | 小型无人直升机的姿态误差快速收敛自适应控制方法 | |
CN107065910A (zh) | 空间绳系抓捕***保持阶段系绳面内面外角稳定控制方法 | |
CN103412485A (zh) | 基于滚动优化策略的刚体航天器姿态机动路径规划方法 | |
CN105607485A (zh) | 基于故障特征模型的挠性充液卫星姿态自适应容错控制方法 | |
CN106054613A (zh) | 一种自主安全逼近翻滚故障卫星的轨迹规划方法 | |
CN105116914A (zh) | 一种平流层飞艇解析模型预测路径跟踪控制方法 | |
CN103955225A (zh) | 一种适合空间绳系机器人逼近目标过程中的燃料最优位姿协调方法 | |
CN104407620A (zh) | 一种主被动结合的绳网拖拽安全离轨控制方法 | |
CN106020217B (zh) | 一种利用卷轴控制的拖曳变轨防缠绕防碰撞方法 | |
CN103412571B (zh) | 一种基于反馈线性化技术的航天器相对姿态控制方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |