[发明专利]一种基于动力学模型的双臂抓捕下空间目标参数辨识方法

说明书

本发明涉及一种基于动力学模型的双臂抓捕下空间目标参数辨识方法，以配备有双机械臂系统的空间碎片主动清除飞行器，和被双机械臂抓捕的空间非合作目标两者形成的组合多刚体系统为对象，首先建立捕获空间非合作目标后的组合体航天器系统的动力学模型和中心平台姿态运动学方程，其中组合体航天器系统的动力学模型包括了中心平台的平动方程、转动方程、机械臂转动方程以及待辨识体的转动方程；再通过传感器测量，得到中心平台的加速度、姿态、角速度、角加速度，以及机械臂各节连杆的转角、转动角速度等信息；进而根据系统动力学模型中的中心平台转动方程，推导并整理形式，导出辨识方程；最后基于最小二乘算法，辨识估计出待辨识体的质量特性参数。

【技术领域】

本发明涉及一种基于动力学模型的双臂抓捕下空间目标参数辨识方法，尤其涉及一种在运行轨道上自由漂浮的空间碎片主动清除飞行器系统，系统包括中心平台、以及两部机械臂系统，机械臂系统抓捕空间非合作目标后，设计的利用平台转动方程进行空间非合作目标质量特性参数辨识方法，属于航天器动力学与姿态控制领域。

【背景技术】

空间非合作目标是指那些无法与空间在轨服务航天器间产生互动和信息交流的空间物体，非合作目标的质量特性参数往往是未知的。非合作目标包括故障或失效卫星、空间碎片以及敌方航天器等。空间机器人机械臂抓取非合作目标后，系统的动力学特性发生很大改变，会对组合体的高精度姿态控制产生不利的影响，为了仍能准确地对机器人系统进行期望的控制，则必须对非合作目标的质量特性参数，包括质量、静矩和转动惯量进行准确的辨识。

根据已有文献的研究成果，按照空间机器人辨识所产生激励的执行机构不同，可将现有文献大致分为基于机械臂激励的辨识研究、基于反作用推力器激励的辨识研究和基于动量轮激励的辨识研究三类，其中，机械臂质量辨识研究可进一步根据原理不同分为基于动量守恒原理的辨识和基于动力学模型的辨识。

任意刚体的运动可分解为质心的平动与绕质心的转动。质心的平动可用Newton方程描述，绕质心的转动可用Euler方程描述。目前，基于动力学模型的航天器质量特性参数辨识方案均是基于单刚体的平动动力学或转动动力学方程，由自身设备产生激励，通过敏感器测量航天器的运动状态，之后基于一定算法利用测量数据对参数进行辨识。而针对带有机械臂系统的多体系统，单刚体模型的方法难以应用，需要对于每一刚性连杆分别建立Newton-Euler方程，从而进行递推计算。在基于关节动力学的质量特性辨识中，已有文献中大多利用Newton-Euler方程，提取未知的质量特性参数，通过递推的形式分别辨识得到每一节连杆的质量特性参数，其中也包含了所抓捕的非合作目标的质量特性参数。Newton-Euler方程不同于基于动量守恒原理的方法，不需要系统所受外力及外力矩为零的条件，但这种方法需要测量力和加速度信息。李保丰提出了机器人连杆动力学参数的辨识方法，主要利用Newton-Euler方程，结合基座六维力传感器以及关节角度、速度、加速度传感器的信息从而辨识出空间机器人连杆的动力学参数然后提出了识别空间机器人基座动力学参数的方法。此方法主要分为两步，第一步利用线动量守恒方程求解基座的质量和质心位置，第二步利用角动量方程守恒求解基座的转动惯量。王洪柳分别基于动量守恒方程和牛顿-欧拉方程提出了不同的辨识方法。基于动量守恒方程的辨识方法是在空间机器人和目标组成的整个系统在抓取碰撞过程中不受外力和外力矩作用的情况下提出的；基于Newton-Euler方程的辨识方法则没有上述限制，但在辨识过程中需要测量力和加速度信息。王靖森推导了考虑关节摩擦情况下的空间机器人的Newton-Euler方程，并且在此基础上将方程进行改写，分离出待辨识的系统惯性参数，进而基于Newton-Euler方程和运动学信息求解空间机器人的惯性参数，分别从本体、被抓取物体和整体角度进行辨识。而现实航天任务中，机械臂关节处的力、力矩和加速度信息往往是难以测量得到的，基于Newton-Euler法的关节动力学难以得到实际应用。本发明提出的辨识方法不需要机械臂关节处的力、力矩和加速度信息，由中心平台的转动方程推导得到辨识模型，这也是本发明的重点所在。不同于现有文献中基于关节动力学模型的辨识方案，不再仅仅辨识得到单刚体目标的转动惯量，而是能一步辨识得到双臂抓捕下的空间非合作目标的质量、静矩和转动惯量。

【发明内容】