[发明专利]基于多机械臂驱动航天器位姿一体化鲁棒动力学控制方法

说明书

本发明公开了基于空间多机械臂驱动的航天器位姿一体化鲁棒控制方法，首先依次计算初始时刻的系统动量和整个控制过程的期望关节运动序列，判断机械臂运动是否会发生连杆间碰撞，机械臂运动是否会发生臂杆间碰撞以及机械臂运动是否会碰撞航天器本体，后计算得到当前时刻的机械臂指令关节角加速度矢量，最后计算当前时刻的机械臂关节力矩，根据当前时刻的机械臂关节力矩实施对机械臂的控制。充分利用多机械臂运动蕴含的设计自由度，结合线段分解、面分割和包络球等技术实现机械臂运动的避障设计，并在控制设计中引入双曲正切函数，实现系统不确定性的干扰抑制，确保航天器位姿误差收敛的同时，兼顾控制回路的鲁棒性能。

技术领域

本发明涉及一种基于空间多机械臂驱动的航天器位姿一体化鲁棒稳定动力 学控制方法，属于飞行器动力学与控制技术领域。

背景技术

以交会对接、编队飞行为代表的空间近距离操作任务中，航天器的6自由 度位姿控制往往利用RCS喷管或“RCS+反作用飞轮/控制力矩陀螺”等执行机 构驱动实现。相比之下，基于机械臂驱动的航天器位姿一体化控制方式，能够 充分利用机械臂与航天器本体之间的动力学耦合，通过驱动机械臂关节运动， 实现航天器的位姿高精度调整，有效避免了传统基于RCS喷管驱动方法的燃 料消耗，节约任务推进剂并降低硬件成本。

然而，现有的关于机械臂驱动控制方式的研究中，尚未考虑空间外部干扰 及系统不确定性对控制精度的影响，干扰抑制能力较弱，而且机械臂运动过程 存在碰撞风险，控制策略需要考虑机械臂运动的避障设计。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种基于空间多机械臂驱动的航天 器位姿一体化鲁棒控制方法，首先获取航天器位姿控制任务的任务参数、航天 器总体参数及初始时刻航天器运动参数，并依次计算初始时刻的系统动量和整 个控制过程的期望关节运动序列，根据整个控制过程的期望关节运动序列依次 判断机械臂运动是否会发生连杆间碰撞，机械臂运动是否会发生臂杆间碰撞以 及机械臂运动是否会碰撞航天器本体，后计算当前时刻航天器动力学系统矩阵， 第i部机械臂动力学系统矩阵以及集总系统矩阵，进而得到当前时刻的机械臂指 令关节角加速度矢量，最后计算当前时刻的机械臂关节力矩，根据当前时刻的 机械臂关节力矩实施对机械臂的控制。本发明充分利用多机械臂运动蕴含的设 计自由度，结合线段分解、面分割和包络球等技术实现机械臂运动的避障设计， 并在控制设计中引入双曲正切函数，实现系统不确定性的干扰抑制，确保航天 器位姿误差收敛的同时，兼顾控制回路的鲁棒性能。

为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于多机械臂驱动航天器位姿一体化鲁棒动力学控制方法，包括如下 步骤：

(1)获取航天器位姿控制任务的任务参数；

(2)获取航天器总体参数；

(3)获取初始时刻航天器运动参数；

(4)根据步骤(1)所得任务参数，步骤(2)所得航天器总体参数以及步 骤(3)所得初始时刻航天器运动参数计算初始时刻的系统动量；

(5)按照等时间间隔选取特征时刻，得到特征时间序列

(6)根据步骤(1)所得任务参数和步骤(4)所得初始时刻的系统动量， 计算整个控制过程在特征时间序列上的期望关节运动序列；

(7)根据步骤(6)所得整个控制过程在特征时间序列上的期望关节运动 序列，判断沿特征时间序列机械臂运动是否会发生连杆间碰撞，如果会发生连 杆间碰撞，则调整航天器的期望运动轨迹并返回步骤(1)，如果不会发生连杆 间碰撞，则进入步骤(8)；

(8)根据步骤(6)所得整个控制过程在特征时间序列上的期望关节运动 序列，判断沿特征时间序列机械臂运动是否会发生臂杆间碰撞，如果会发生臂 杆间碰撞，则调整航天器的期望运动轨迹并返回步骤(1)，如果不会发生臂杆 间碰撞，则进入步骤(9)；