[发明专利]一种空间机械臂系统抗干扰姿态协调验证装置及控制方法

说明书

本发明涉及一种空间机械臂系统抗干扰姿态协调验证装置及控制方法。所述验证装置由三轴气浮台，多连杆机械臂测控模块，基座航天器姿控模块，中央控制模块组成；三轴气浮台用于模拟基座航天器的运动，同时为多连杆机械臂测控模块与基座航天器姿控模块提供空间力学环境；多连杆机械臂测控模块用于支撑机械臂在轨路径规划、姿态测量与驱动控制的验证；基座航天器姿控模块用于控制调节基座航天器姿态；中央控制模块用于控制算法的切换与上传、多源干扰的模拟与注入、试验数据的分析处理；所述控制方法存储于试验主控单元中，可实现与现有空间机械臂系统控制算法的对比验证，保证了空间复杂干扰环境下基座航天器的稳定性与多连杆机械臂的精细操控能力。

技术领域

本发明涉及一种空间机械臂系统抗干扰姿态协调控制方法及验证装置，所提抗干扰姿态协调控制方法可应用于空间机械臂系统姿态控制算法设计，所提验证装置可应用于空间机械臂系统的总体设计与实验调试，该装置可于地面模拟空间机械臂在轨精细操作的多种控制方法与基座航天器的姿态确定与基于反作用飞轮的姿态稳定控制，可用于验证空间机械臂系统总体设计方案的可行性、在轨运行时的故障处理策略以及多源复合干扰环境下的抗干扰控制方法。

背景技术

空间机械臂系统由基座航天器与搭载其上的空间机械臂组成，是未来在轨服务背景下承担自主交会对接、故障航天器在轨维修与燃料加注、空间碎片清理等任务的通用性操作平台，具有巨大的战略价值。

与地面机械臂系统不同，空间机械臂系统面临着漂浮不稳定基座造成的动力学耦合、连杆应用轻质材料造成的挠性振动、空间恶劣环境干扰影响，归纳为内部、外部、建模误差三类干扰。因此，传统的地面工业机器人控制技术难以在轨道空间实现高精度作业，急需一种适用空间在轨操作背景下的空间机械臂系统姿态协调控制方法。另外与常规的航天器姿态控制系统已有大量工程实践经验不同，空间机械臂系统技术作为世界各国争夺的技术制高点，其中1997年日本工程试验7号、2007年美国轨道快车计划、2013年中国试验7号三次空间在轨操作实例引发了广泛的关注，其余各国提出的大多数计划均处于方案论证与预研试制阶段，依靠地面试验装置对系统控制算法进行试验验证与参数整定显得尤为重要。美国卡内基梅隆大学与中国航天科技集团502所设计了利用吊丝配重来克服重力模拟空间微重力环境的实验系统，该系统成本低、易维护，但实验中发现吊丝引入的晃动问题严重影响了机械臂的操作精度，同时难以完全抵消重力因素的影响。日本东京大学提出的利用微重力塔执行自由落体运动来产生微重力环境的实验系统造价昂贵、维护成本高、工作时间短。与此类似，美国马里兰大学提出的利用液体浮力来抵消重力影响的水浮式实验系统也因造价、成本问题难以推广。另外专利申请号201210265824.2与申请号200910073470.X搭建的空间机械臂仿真系统采用计算机数值计算的方法进行动力学仿真，难以完全模拟空间力学环境；专利申请号201410220419.8搭建的空间机械臂地面实验系统没有考虑实际工程中面对多源复合干扰的情形，无法完成对系统抗干扰能力的验证。

针对空间机械臂系统姿态协调控制，许多已有的研究，如专利申请号201510079167.6中考虑了通过特定的机械臂运动路径规划来使得对基座航天器姿态的影响最小化，然而实际中由于机械臂性能受限难以实现零反作用效果。专利申请号201410138354.2中基于扩展雅克比矩阵计算基座航天器控制力矩陀螺的角速度指令，计算量大且不具备抗干扰能力。专利申请号201610779776.7中利用常规航天器姿态控制系统中的反作用喷气装置来控制空间机械臂系统的位置和姿态，需要消耗不可再生的推进剂，难以承担频繁的在轨操作任务，且喷气装置启动时会使机器人产生突然的运动，干扰机械臂的精细操作。同时，已有的方法往往忽略了外界环境、内部振动、以及建模误差等多源干扰，在实际工程环境下难以保证空间机械臂系统的作业精度及任务完成效果。

总之，现有的空间机械臂系统控制方法与验证装置均无法完成复杂干扰环境下空间机械臂系统的在轨精细操作以及能力的验证。

发明内容