CN117262257A - 一种空间机械臂抓捕非合作喷管的伺服控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种空间机械臂抓捕非合作喷管的伺服控制方法，它涉及一种伺服控制方法。本发明为了解决经典伺服控制方法无法有效消除服务飞行器的运动扰动以及单一控制模式无法完成喷管捕获的问题。本发明的步骤为：服务飞行器采用喷气控制与非合作目标保持稳定的相对位置；进入机械臂视觉伺服非合作喷管的位置控制阶段，机械臂采用位置控制模式跟踪规划的运动轨迹，接近非合作目标的喷管；进入机械臂直线对接非合作喷管的速度控制阶段，机械臂采用速度控制模式末端直线匀速前进，对接非合作喷管；待喷管头部的接触开关触发，服务飞行器停控，机械臂进入待机状态，关节制动器制动，完成非合作喷管捕获。本发明属于航空航天领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种伺服控制方法，属于航空航天领域。
背景技术
利用空间机械臂捕获及清理失效的非合作目标对维护空间轨道安全，释放轨道资源具有极其重要的意义。喷管是目标卫星的典型通用特征，研究空间机械臂抓捕非合作喷管的捕获技术有重大价值，但不同于地面环境，空间微重力环境的特殊性对机械臂的伺服控制技术提出了挑战。
不同于地面机械臂安装在固定的基座上，空间机械臂安装在服务飞行器上，服务飞行器的运动严重干扰机械臂的运动精度，经典的PID控制，计算力矩控制无法满足实际应用；滑模控制，神经网络控制，迭代学习控制等策略在一定程度上可缓解非线性扰动，提高机械臂运动精度，但控制律复杂，计算量大，不适用于性能有限的星载计算机。另一方面，抓捕喷管的末端执行器采用碰撞方式完成捕获，机械臂仅依靠位置控制模式可能导致目标受到碰撞逃逸，因此，空间机械臂抓捕非合作喷管的伺服控制技术是关键技术难点。
发明内容
本发明为解决经典伺服控制方法无法有效消除服务飞行器的运动扰动以及单一控制模式无法完成喷管捕获的问题，进而提出一种空间机械臂抓捕非合作喷管的伺服控制方法。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明的步骤包括：
步骤1、服务飞行器采用喷气控制与非合作目标保持稳定的相对位置，并控制姿态，使得飞行方向与失效的非合作目标的动量矩轴对齐，无残余角速度；
步骤2、进入机械臂视觉伺服非合作喷管的位置控制阶段，机械臂采用位置控制模式跟踪规划的运动轨迹，接近非合作目标的喷管；
步骤3、进入机械臂直线对接非合作喷管的速度控制阶段，机械臂采用速度控制模式末端直线匀速前进，对接非合作喷管；
步骤4、待喷管头部的接触开关触发，服务飞行器停控，机械臂进入待机状态，关节制动器制动，完成非合作喷管捕获。
进一步的，步骤2中进入机械臂视觉伺服非合作喷管的位置控制阶段，机械臂采用位置控制模式跟踪规划的运动轨迹，接近非合作目标的喷管的步骤包括：
步骤201、安装在机械臂末端的手眼相机测量非合作喷管的相对位置和姿态，机械臂结合当前关节角度，得到机械臂伺服非合作喷管的笛卡尔空间的位姿轨迹，采用机械臂末端期望位姿相对于机械臂基座系的位姿矩阵表示；
步骤202、根据机械臂的逆运动学，将转换为期望的关节位置qd；
步骤203、将期望的关节位置qd转换为位置控制模式的参考关节加速度，参考的关节速度和参考关节位置：
公式(1)、(2)、(3)中，c1、c2和c3为位置规划增益参数，为位置控制模式的参考关节加速度，初始时刻为0，/>为位置控制模式的参考关节速度，初始时刻也为0，qr为位置控制模式的参考关节位置，初始时刻为0时刻的关节实际位置；
步骤204、机械臂位置控制模式的控制律为：
公式(4)中，M是机械臂的惯性矩阵，C是机械臂的科氏矩阵，D是服务飞行器运动产生的扰动力，它与服务飞行器运动的线加速度角速度ωb，角加速度/>以及机械臂在服务飞行器上的安装位置p有关，ql为机械臂关节的实际位置，/>为机械臂关节的实际速度，kp和kd为位置控制增益参数，u为机械臂关节控制力矩；
上述控制律驱动机械臂接近非合作喷管。
进一步的，步骤3中进入机械臂直线对接非合作喷管的速度控制阶段，机械臂采用速度控制模式末端直线匀速前进，对接非合作喷管的步骤包括：
步骤301、设定机械臂末端前进方向的线速度为vd，另外两个方向线速度为0，三轴角速度为0；
步骤302、根据机械臂的微分运动学，将vd转换为期望的关节速度qv；
步骤303、将期望的关节速度qv转换为速度控制模式的参考关节加速度，参考的关节速度：
公式(5)和(6)中，b1，b2为速度规划增益参数，为速度控制模式的参考关节加速度，初始时刻为0，qvr为速度控制模式的参考关节速度，初始值为初始时刻的关节实际速度；
步骤304、机械臂速度控制模式的控制律为：
公式(7)中，Kp和Kd为速度控制增益参数；
上述控制律驱动机械臂直线对接非合作喷管。
本发明的有益效果是：
1、控制律中引入了服务飞行器运动产生的扰动力，提高了空间机械臂的运动精度；
2、针对抓捕喷管的末端执行器的捕获特点，在伺服阶段采用位置控制模式，保证跟踪精度，在对接阶段，转为速度控制模式，避免了接触碰撞将喷管弹出，提高了抓捕的可靠性。
附图说明
图1是捕获过程示意图，图1a是机械臂视觉伺服非合作喷管的位置控制阶段示意图，图1b是机械臂直线对接非合作喷管的速度控制阶段示意图，图1c是机械臂完成捕获非合作喷管的待机制动阶段示意图；
图2是位置控制模式参考关节加速度、参考关节速度和参考关节位置示意图，图2a是参考关节加速度示意图，图2b是参考关节速度示意图，图2c是参考关节位置示意图；
图3是位置控制模式的机械臂关节控制力矩示意图；
图4是速度控制模式的参考关节加速度、参考的关节速度示意图，图4a是参考关节加速度示意图，图4b是参考关节速度示意图；
图5是速度控制模式的机械臂关节控制力矩示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种空间机械臂抓捕非合作喷管的伺服控制方法的步骤包括：
步骤1、服务飞行器采用喷气控制与非合作目标保持稳定的相对位置，并控制姿态，使得飞行方向与失效的非合作目标的动量矩轴对齐，无残余角速度；
步骤2、进入机械臂视觉伺服非合作喷管的位置控制阶段，机械臂采用位置控制模式跟踪规划的运动轨迹，接近非合作目标的喷管；
步骤3、进入机械臂直线对接非合作喷管的速度控制阶段，机械臂采用速度控制模式末端直线匀速前进，对接非合作喷管；
步骤4、待喷管头部的接触开关触发，服务飞行器停控，机械臂进入待机状态，关节制动器制动，完成非合作喷管捕获。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种空间机械臂抓捕非合作喷管的伺服控制方法的步骤2中进入机械臂视觉伺服非合作喷管的位置控制阶段，机械臂采用位置控制模式跟踪规划的运动轨迹，接近非合作目标的喷管的步骤包括：
步骤201、安装在机械臂末端的手眼相机测量非合作喷管的相对位置和姿态，机械臂结合当前关节角度，得到机械臂伺服非合作喷管的笛卡尔空间的位姿轨迹，采用机械臂末端期望位姿相对于机械臂基座系的位姿矩阵表示；
步骤202、根据机械臂的逆运动学，将转换为期望的关节位置qd；
步骤203、将期望的关节位置qd转换为位置控制模式的参考关节加速度，参考的关节速度和参考关节位置：
公式(1)、(2)、(3)中，c1、c2和c3为位置规划增益参数，为位置控制模式的参考关节加速度，初始时刻为0，/>为位置控制模式的参考关节速度，初始时刻也为0，qr为位置控制模式的参考关节位置，初始时刻为0时刻的关节实际位置；
步骤204、机械臂位置控制模式的控制律为：
公式(4)中，M是机械臂的惯性矩阵，C是机械臂的科氏矩阵，D是服务飞行器运动产生的扰动力，它与服务飞行器运动的线加速度角速度ωb，角加速度/>以及机械臂在服务飞行器上的安装位置p有关，ql为机械臂关节的实际位置，/>为机械臂关节的实际速度，kp和kd为位置控制增益参数，u为机械臂关节控制力矩；
上述控制律驱动机械臂接近非合作喷管。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种空间机械臂抓捕非合作喷管的伺服控制方法，其特征在于：步骤3中进入机械臂直线对接非合作喷管的速度控制阶段，机械臂采用速度控制模式末端直线匀速前进，对接非合作喷管的步骤包括：
步骤301、设定机械臂末端前进方向的线速度为vd，另外两个方向线速度为0，三轴角速度为0；
步骤302、根据机械臂的微分运动学，将vd转换为期望的关节速度qv；
步骤303、将期望的关节速度qv转换为速度控制模式的参考关节加速度，参考的关节速度：
公式(5)和(6)中，b1，b2为速度规划增益参数，为速度控制模式的参考关节加速度，初始时刻为0，qvr为速度控制模式的参考关节速度，初始值为初始时刻的关节实际速度；
步骤304、机械臂速度控制模式的控制律为：
公式(7)中，Kp和Kd为速度控制增益参数；
上述控制律驱动机械臂直线对接非合作喷管。
实施例
如图1所示，空间机械臂安装在服务飞行器上，服务飞行器与失效的非合作目标保持稳定的悬停，机械臂末端安装有抓捕喷管的末端执行器和手眼相机，手眼相机测量非合作喷管的相对位姿，机械臂根据相机反馈接近非合作喷管，并直线对接喷管，抓捕喷管的末端执行器锁紧喷管完成捕获，具体过程如下：
步骤一，服务飞行器采用喷气控制与非合作目标保持稳定的相对位置，并控制姿态，使得飞行方向与失效的非合作目标的动量矩轴对齐，无残余角速度；
步骤二，进入机械臂视觉伺服非合作喷管的位置控制阶段，机械臂采用位置控制模式跟踪规划的运动轨迹，接近非合作目标的喷管；
步骤二一，安装在机械臂末端的手眼相机测量非合作喷管的相对位置和姿态，机械臂结合当前关节角度，得到机械臂伺服非合作喷管的笛卡尔空间的位姿轨迹，采用机械臂末端期望位姿相对于机械臂基座系的位姿矩阵表示；
步骤二二，根据机械臂的逆运动学，将转换为期望的关节位置qd；
步骤二三，设定位置规划增益参数为c1＝648.0，c2＝252.0，c3＝18.0，将期望的关节位置qd转换为位置控制模式的参考关节加速度，参考的关节速度和参考关节位置：
步骤二四，设定位置控制增益参数为kp＝324.0，kd＝36.0，机械臂位置控制模式的控制律为：
上述控制律驱动机械臂接近非合作喷管。
步骤三，进入机械臂直线对接非合作喷管的速度控制阶段，机械臂采用速度控制模式末端直线匀速前进，对接非合作喷管；
步骤三一，设定机械臂末端前进方向的线速度为20mm/s，另外两个方向线速度为0，三轴角速度为0；
步骤三二，根据机械臂的微分运动学得到期望的关节速度qv；
步骤三三，设定速度规划增益参数为b1＝36.0，b2＝12.0，将期望的关节速度qv转换为速度控制模式的参考关节加速度，参考的关节速度：
步骤三四，设定速度控制增益参数为Kp＝36.0，Ki＝324.0，机械臂速度控制模式的控制律为：
上述控制律驱动机械臂直线对接非合作喷管。
步骤四，待喷管头部的接触开关触发，服务飞行器停控，机械臂进入待机状态，关节制动器制动，完成非合作喷管捕获。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种空间机械臂抓捕非合作喷管的伺服控制方法，其特征在于：所述一种空间机械臂抓捕非合作喷管的伺服控制方法的步骤包括：
步骤1、服务飞行器采用喷气控制与非合作目标保持稳定的相对位置，并控制姿态，使得飞行方向与失效的非合作目标的动量矩轴对齐，无残余角速度；
步骤2、进入机械臂视觉伺服非合作喷管的位置控制阶段，机械臂采用位置控制模式跟踪规划的运动轨迹，接近非合作目标的喷管；
步骤3、进入机械臂直线对接非合作喷管的速度控制阶段，机械臂采用速度控制模式末端直线匀速前进，对接非合作喷管；
步骤4、待喷管头部的接触开关触发，服务飞行器停控，机械臂进入待机状态，关节制动器制动，完成非合作喷管捕获。
2.根据权利要求1所述的一种空间机械臂抓捕非合作喷管的伺服控制方法，其特征在于：步骤2中进入机械臂视觉伺服非合作喷管的位置控制阶段，机械臂采用位置控制模式跟踪规划的运动轨迹，接近非合作目标的喷管的步骤包括：
步骤201、安装在机械臂末端的手眼相机测量非合作喷管的相对位置和姿态，机械臂结合当前关节角度，得到机械臂伺服非合作喷管的笛卡尔空间的位姿轨迹，采用机械臂末端期望位姿相对于机械臂基座系的位姿矩阵表示；
步骤202、根据机械臂的逆运动学，将转换为期望的关节位置qd；
步骤203、将期望的关节位置qd转换为位置控制模式的参考关节加速度，参考的关节速度和参考关节位置：
公式(1)、(2)、(3)中，c1、c2和c3为位置规划增益参数，为位置控制模式的参考关节加速度，初始时刻为0，/>为位置控制模式的参考关节速度，初始时刻也为0，qr为位置控制模式的参考关节位置，初始时刻为0时刻的关节实际位置；
步骤204、机械臂位置控制模式的控制律为：
公式(4)中，M是机械臂的惯性矩阵，C是机械臂的科氏矩阵，D是服务飞行器运动产生的扰动力，它与服务飞行器运动的线加速度角速度ωb，角加速度/>以及机械臂在服务飞行器上的安装位置p有关，ql为机械臂关节的实际位置，/>为机械臂关节的实际速度，kp和kd为位置控制增益参数，u为机械臂关节控制力矩；
上述控制律驱动机械臂接近非合作喷管。
3.根据权利要求1所述的一种空间机械臂抓捕非合作喷管的伺服控制方法，其特征在于：步骤3中进入机械臂直线对接非合作喷管的速度控制阶段，机械臂采用速度控制模式末端直线匀速前进，对接非合作喷管的步骤包括：
步骤301、设定机械臂末端前进方向的线速度为vd，另外两个方向线速度为0，三轴角速度为0；
步骤302、根据机械臂的微分运动学，将vd转换为期望的关节速度qv；
步骤303、将期望的关节速度qv转换为速度控制模式的参考关节加速度，参考的关节速度：
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