[发明专利]一种针对空间非合作目标非完全约束组合体的动力学建模方法

说明书

本发明涉及一种空间非合作目标非完全约束组合体的动力学建模方法，属于航空航天技术领域。该方法包括四个步骤：首先，对机械臂末端和被抓捕目标分别建模；然后，定义机械臂和目标之间的接触为一个多模式的单边约束问题；接着，将机械臂和被抓捕目标的动力学方程与二者之间的连接模式模型进行集成和整合，得到一种基于多模式切换的组合体紧凑动力学模型；最后，进行动力学积分，求出系统的运动轨迹。本发明弥补了现有建模方法无法准确反映系统整体运动特性的不足，为相关研究提供了理想的动力学模型，该模型能够准确识别机械臂末端与被抓捕目标之间的连接运动模式且相关参数能够直接通过传感器测得，具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及航空航天技术领域，尤其涉及一种空间非合作目标非完全约束的动力学建模方法。

背景技术

据发明人了解，空间非合作目标抓捕技术是空间组装、空间碎片清除、在轨维修服务、空间攻防等多种任务需求的基础，是航天大国争相发展且必须突破的关键技术。美国、欧洲、俄罗斯、日本等国家和地区均对这一技术进行了大量理论研究和型号任务实验，如ESA的eDeorbit卫星，美国的OctArm和日本的TAKO等，此外，还包括欧洲的EPOS和美国的DEOS等进行的地面机械臂验证系统研究。

实际抓取空间非合作目标难度大、风险高，半物理实验和虚拟抓捕是验证抓捕策略和控制器的必要手段。由于非合作目标的形状和几何特征难以确定，抓取过程中的接触碰撞过程复杂，使得空间机械臂动力学与控制的研究进展较为缓慢。在机械臂与目标之间的接触动力学建模方面，空间机械臂还处于初步摸索阶段，研究重点主要聚焦于抓捕过程中的碰撞阶段。如何提高机械臂与非合作目标的接触动力学模型的描述精度、完备性是亟待解决的技术难题。

在先技术[1]采用显性表达式的方法，直接将碰撞过程中的接触力关于时间的表达式给出，再根据牛顿第三定律，分别对机械臂和目标的运动做研究。在先技术[2]中，接触力被视为隐含的数学联系，直接将机械臂和目标的动力学方程联立，消去公式中的接触力，从而对整个组合体进行研究。这两种思路都无法准确地描述机械臂与目标之间可能存在的相对滑动和扭动，更无法根据计算摩擦力和相对的运动趋势，无法判断任意时刻系统的运动模式，因此无法准确描述系统的整体运动特性。

在先技术[3]中，机械臂与目标之间的滑动被引入到空间自由漂浮环境之下。由于没有固定的基座，重力支撑等，数学模型的建立变得更加复杂，滑动摩擦力对机械臂和目标的运动影响也更加明显。在先技术[4]中采用的是补偿函数的方式来描述机械臂与目标之间的固连-滑动模型的互相切换，这一技术的缺陷主要在于工程实现困难：补偿函数是个抽象的概念，没有几何或物理含义，也无法通过传感器测量，对控制器设计提供的指导较为有限。

参考文献

[1]Long Zhang,Qingxuan Jia,Gang Chen,et al.Impact analysis of spacemanipulator collision with soft environment,Industrial Electronics andApplications(ICIEA),2014IEEE 9th Conference,9-11June 2014,HangZhou,China

[2]Shuanfeng Xu,Hanlei Wang,Duzhou Zhang,et al.Adaptive ReactionlessMotion Control for Free-Floating Space Manipulators with Uncertain Kinematicsand Dynamics,3rd IFAC International Conference on Intelligent Control andAutomation Science.September 2-4,2013.Chengdu,China