[发明专利]一种空间绳系机器人跟踪最优轨迹协调控制方法

说明书

技术领域

本发明属于航天器控制技术研究领域。尤其涉及带有空间系绳的各类航天器逼近目标过程中协调跟踪控制技术领域，特别涉及一种新型“空间机动平台，空间系绳，操作机器人”构型的空间绳系机器人系统，具体涉及一种考虑空间系绳释放特性的空间绳系机器人跟踪最优轨迹协调控制方法，属于空间绳系机器人在轨服务领域。

背景技术

空间绳系机器人是一种新型的空间机器人，主要用于捕获空间目标并进行在轨维修、在轨组装等任务。空间绳系机器人的一般架构为“空间平台，空间系绳，操作机器人”，操作机器人被空间机动平台通过空间系绳释放后自主接近目标并最终实施在轨操作；操作机器人完成最终在轨服务任务的前提是需要逼近到距离目标较近的一个指定位置，传统的方法是操作机器人利用自带执行机构自主逼近目标；利用空间系绳、结合操作机器人上自带推力器进行协调逼近控制是近年来发展起来的新技术。

国外针对航天器逼近目标控制问题进行过一些利用空间系绳进行协调控制的研究，Yuya Nakamura、Masahiro Nohmi、Godard及Osamu MORI等一些学者针对类似的空间绳系机器人提出利用系绳拉力及推力器进行协调控制绳系机器人飞行轨迹的方法，节省了绳系机器人的推力器燃料消耗；申请号为201310018189.2公开了一种空间绳系机器人系统逼近目标协调控制方法，该方法利用空间系绳及操作机器人自带推力器、反作用轮实现了空间绳系机器人逼近目标过程中的协调位姿控制，将最优逼近目标轨迹规划出的最优控制力优化分配到空间系绳和操作机器人自带推力器上，利用空间系绳进行协调控制采用张力控制。以上这些方法进行逼近目标利用空间系绳的协调控制时均采用了空间系绳的张力控制，但是直接采用空间系绳的张力控制较难实现(张力跟踪控制较难实现)，因此存在这实现性差的缺点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对空间绳系机器人的特点提供一种考虑空间平台上空间系绳释放机构特性的操作机器人跟踪最优轨迹的协调控制方法。

本发明采用以下技术方案：

一种空间绳系机器人跟踪最优轨迹协调控制方法，用两个方向推力器结合空间系绳释放机构控制操作机器人减速实现操作机器人跟踪最优轨迹的协调控制；操作机器人跟踪最优轨迹过程中空间系绳方向的释放绳长控制通过控制空间平台上空间系绳释放机构对操作机器人实施减速实现，操作机器人在跟踪最优轨迹过程中面内及面外偏转角控制则是通过利用操作机器人上两个方向推力器实现。

具体包括以下步骤：

(1)建立空间绳系机器人的操作机器人的释放二体动力学模型和空间系绳释放机构的结构与动力学模型；

(2)规划操作机器人逼近目标的最优轨迹；

(3)建立操作机器人误差状态空间释放动力学模型，然后根据该模型建立用于控制操作机器人面内面外角的SDRE控制器，根据释放机构的结构和动力学模型建立控制释放绳长的系绳释放机构PD控制器；

(4)轨迹跟踪协调控制方法如下：

(4.1)设定操作机器人的初始状态值：初始面内偏转角α₀、初始面内偏转角速度初始面外偏转角β₀、初始面外偏转角速度初始系绳长度l₀、初始释放速度

(4.2)比较操作机器人步骤(4.1)的初始状态值与步骤(2)的最优轨迹初始点值得到操作机器人的状态误差，将其作为SDRE控制器的输入，经计算后得到操作机器人在本体坐标系下两个方向的实际附加控制力F₁′、F₂′及系绳控制加速度a_t；然后根据步骤(2)得到的最优理想控制力和操作机器人在本体坐标系下两个方向的实际附加推力器推力F₁及F₂，计算得到操作机器人实际的面内及面外偏转角和偏转角速度；