CN106272380A - 一种抓捕高速旋转目标后机械臂组合体的姿态稳定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抓捕高速旋转目标后机械臂组合体的姿态稳定方法，包括如下步骤：步骤一、机械臂抓捕旋转的空间碎片，结合动力学模型找出组合体的惯性主轴方向；步骤二、通过调整机械臂构型使组合体的旋转轴与惯性主轴方向重合，达到自旋稳定；步骤三、结合本体执行机构和重力梯度力矩等环境力矩对组合体消旋，实现机械臂组合体的姿态稳定。本发明能够充分利用空间中的环境力矩，进而有效减小机械臂本体的燃料消耗。

Description

一种抓捕高速旋转目标后机械臂组合体的姿态稳定方法

技术领域

本发明涉及航天技术，具体涉及一种抓捕高速旋转目标后机械臂组合体的姿态稳定方法。

背景技术

大量的空间碎片正在对在轨的各类航天器造成威胁，由于空间碎片在产生初期会有一定的速度和/或角速度，机械臂抓捕这类碎片后所形成组合体的姿态会产生失稳现象，因此需要设计一种组合体姿态稳定方法。目前常用的姿态稳定方法主要分为主动控制和被动控制两大类。主动控制方法即通过三轴测量参数反馈进行姿态调整，但是由于安装机械臂的卫星本体携带燃料有限，失稳严重的情况下直接将组合体从失稳控制到稳定状态需要消耗大量燃料，这会严重影响后续的任务。而被动控制方法如自旋稳定和重力梯度力矩方法由于利用动力学特性，其控制幅度较小，或者借助外部环境力，能够有效节省自身燃料，但是目前这类方法主要应用于单颗卫星的控制，尚未在抓捕目标后的机械臂上进行使用。

综上所述，出于节省机械臂本体执行机构的燃料消耗，并且充分利用组合体本身的动力学特性的目的，需要开发一种基于被动控制的组合体姿态稳定方法。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种抓捕高速旋转目标后机械臂组合体的姿态稳定方法，充分利用空间中的环境力/力矩实现目标姿态稳定，燃料消耗较小。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案包括如下步骤：

步骤一、机械臂抓捕旋转的空间碎片，结合动力学模型找出组合体的惯性主轴方向；

步骤二、通过调整机械臂构型使组合体的旋转轴与惯性主轴方向重合，达到自旋稳定；

步骤三、结合本体执行机构和环境力矩对组合体消旋，实现机械臂组合体的姿态稳定。

所述步骤三中的环境力矩为重力梯度力矩。

在确定组合体惯性主轴方向时，根据目标空间碎片与机械臂末端相对位姿，结合动量守恒推导组合体角速度表达式；

相对位姿为：

动量守恒：

组合体角速度表达式：

其中，R_e是机械臂末端执行器质心矢量，r_eQ是机械臂末端执行器质心至与目标接触点Q的矢量，v_e和ω_e是末段执行器的速度和角速度，R_t是目标质心的位置矢量，r_TQ是目标质心至与末端接触点Q的矢量，v_t和ω_t是目标的速度和角速度，v_C和ω_C是组合体质心的速度和角速度，R(q_r)为目标姿态与末端姿态的转换矩阵。

通过下式计算组合体的惯性主轴方向：

$\begin{array}{ccc}({\mathrm{\λ}}_i{I}_3-I_C)A_S^{S^{\′T}}& (,i)=0& i=1,2,3\end{array}---\left(4\right)$

其中，λ_i(i＝1,2,3)为主惯性矩，I₃为3×3单位矩阵，I_C为组合体转动惯量，为转换矩阵，描述组合体质心坐标系S(C)至惯性主轴坐标系S'(C)的旋转关系。

按照下式实现组合体自旋稳定以及组合体的姿态稳定：

其中，为期望组合体质心角加速度，ω_Ce和为误差组合体质心角速度和角加速度，τ_本体为组合体基座三轴姿态控制输出，τ_环境为环境力矩。

式(5)中为了实现控制目的：

a.针对自旋稳定阶段，当时间t→∞时，

b.针对姿态稳定阶段，当时间t→∞时，

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：以快速旋转的空间碎片为目标，机械臂抓捕旋转的空间碎片后，通过调整机械臂构型使组合体的旋转轴与惯性主轴方向重合，首先达到自旋稳定，然后再结合本体执行机构和环境力矩对组合体消旋，最终实现机械臂组合体的姿态稳定。本发明能够充分利用空间中的环境力矩，进而有效减小机械臂本体的燃料消耗。

附图说明

图1本发明姿态稳定方法的状态变化示意图；

图2本发明惯性主轴与旋转主轴关系示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

参见图1，本发明抓捕高速旋转目标后机械臂组合体的姿态稳定方法包括以下过程：

首先机械臂本体抓捕高速旋转目标，形成组合体后进入失稳状态；然后寻找组合体的惯性主轴方向并通过机械臂构型调整使旋转轴方向与之重合，进入自旋稳定；最后结合本体执行机构和重力梯度力矩等环境力矩对组合体消旋，实现机械臂组合体的姿态稳定。

具体步骤为：

步骤一：根据目标空间碎片与机械臂末端相对位姿结合动量守恒推导抓捕目标后的组合体角速度表达式，相对位姿如下：

$\begin{array}{c}{R}_e+r_{eQ}=R\left(q_r\right)(R_t+r_{TQ})\\ v_e+{\tilde{r}}_{eQ}^T{\mathrm{\ω}}_e=R\left(q_r\right)(v_t+{\tilde{r}}_{TQ}^T{\mathrm{\ω}}_t)\\ {\mathrm{\ω}}_e=R\left(q_r\right){\mathrm{\ω}}_t\end{array}---\left(1\right)$

按照动量守恒：

$\left[\begin{array}{c}{v}_C\\ {\mathrm{\ω}}_C\end{array}\right]=(H_T+H_{BM-b}\mathrm{\Θ})\left[\begin{array}{c}{v}_t\\ {\mathrm{\ω}}_t\end{array}\right]+(H_{BM-\mathrm{\η}}-H_{BM-b}{H}_{\mathrm{\η}})\stackrel{\·}{\mathrm{\η}}---\left(2\right)$

组合体角速度表达式：

其中，R_e是机械臂末端执行器质心矢量，r_eQ是机械臂末端执行器质心至与目标接触点Q的矢量，v_e和ω_e是末段执行器的速度和角速度，R_t是目标质心的位置矢量，r_TQ是目标质心至与末端接触点Q的矢量，v_t和ω_t是目标的速度和角速度，v_C和ω_C是组合体质心的速度和角速度，R(q_r)为目标姿态与末端姿态的转换矩阵。

步骤二：计算组合体惯性主轴方向，如图2所示，惯性主轴方向可由下式获得：

$\begin{array}{ccc}({\mathrm{\λ}}_i{I}_3-I_C)A_S^{S^{\′T}}& (,i)=0& i=1,2,3\end{array}---\left(4\right)$

其中，λ_i(i＝1,2,3)为主惯性矩，I₃为3×3单位矩阵，I_C为组合体转动惯量，为转换矩阵，描述组合体质心坐标系S(C)至惯性主轴坐标系S'(C)的旋转关系。

步骤三：通过控制ω_C与重合，可实现组合体自旋稳定，最后通过环境力矩结合本体执行机构进行姿态稳定：

控制目的的数学表达为：

a.针对自旋稳定阶段，当时间t→∞时，即

b.针对姿态稳定阶段，当时间t→∞时，

其中，为期望组合体质心角加速度，ω_Ce和为误差组合体质心角速度和角加速度，τ_本体为组合体基座三轴姿态控制输出，τ_环境为环境力矩。

本发明的保护范围不仅局限于上述实施例，上述实施例仅用于解释本发明，凡与本发明在相同原理和构思下的变更或修改均在本发明公开的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种抓捕高速旋转目标后机械臂组合体的姿态稳定方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、机械臂抓捕旋转的空间碎片，结合动力学模型找出组合体的惯性主轴方向；

步骤二、通过调整机械臂构型使组合体的旋转轴与惯性主轴方向重合，达到自旋稳定；

步骤三、结合本体执行机构和环境力矩对组合体消旋，实现机械臂组合体的姿态稳定。

2.根据权利要求1所述抓捕高速旋转目标后机械臂组合体的姿态稳定方法，其特征在于：所述步骤三中的环境力矩为重力梯度力矩。

3.根据权利要求1所述抓捕高速旋转目标后机械臂组合体的姿态稳定方法，其特征在于：

在确定组合体惯性主轴方向时，根据目标空间碎片与机械臂末端相对位姿，结合动量守恒推导组合体角速度表达式；

相对位姿为：

动量守恒：

组合体角速度表达式：

其中，R_e是机械臂末端执行器质心矢量，r_eQ是机械臂末端执行器质心至与目标接触点Q的矢量，v_e和ω_e是末段执行器的速度和角速度，R_t是目标质心的位置矢量，r_TQ是目标质心至与末端接触点Q的矢量，v_t和ω_t是目标的速度和角速度，v_C和ω_C是组合体质心的速度和角速度，R(q_r)为目标姿态与末端姿态的转换矩阵。

4.根据权利要求3所述抓捕高速旋转目标后机械臂组合体的姿态稳定方法，其特征在于：

通过下式计算组合体的惯性主轴方向：

$({\mathrm{\λ}}_i{I}_3-I_C)A_S^{S^{\′T}}(,i)=0,i=1,2,3---\left(4\right)$

其中，λ_i(i＝1,2,3)为主惯性矩，I₃为3×3单位矩阵，I_C为组合体转动惯量，为转换矩阵，描述组合体质心坐标系S(C)至惯性主轴坐标系S'(C)的旋转关系。

5.根据权利要求1所述抓捕高速旋转目标后机械臂组合体的姿态稳定方法，其特征在于：按照下式实现组合体自旋稳定以及组合体的姿态稳定：

其中，为期望组合体质心角加速度，ω_Ce和为误差组合体质心角速度和角加速度，τ_本体为组合体基座三轴姿态控制输出，τ_环境为环境力矩。

6.根据权利要求5所述抓捕高速旋转目标后机械臂组合体的姿态稳定方法，其特征在于，式(5)中为了实现控制目的：

a.针对自旋稳定阶段，当时间t→∞时，

b.针对姿态稳定阶段，当时间t→∞时，