[发明专利]一种利用卷轴控制的拖曳变轨防缠绕防碰撞方法

摘要

本发明公开了一种利用卷轴控制的拖曳变轨防缠绕防碰撞方法，通过建立考虑两端姿态与系绳松弛的组合体变轨动力学模型，建立系绳的卷轴控制模型和缠绕模型，设计防碰撞/缠绕的卷轴控制律，设计平台姿态控制律，实现拖曳变轨防缠绕防碰撞；本发明相较于以往考虑航天器姿态的模型而言，不仅可以应用于系绳张紧状态也可以适用于系绳松弛情况。本发明设计了卷轴控制律以调节系绳张力。这比推力滤波技术更直接和更主动地进行张力控制，同时也不影响以往技术的应用。因此，该控制策略无疑能减轻平台推力的负担，也使轨道设计有了更大的自由度。

主权项

1.一种利用卷轴控制的拖曳变轨防缠绕防碰撞方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建立考虑两端姿态与系绳松弛的组合体变轨动力学模型；利用拉格朗日法建立组合体轨道面内动力学模型：其中，q＝[r1,α1,θ1,β,s,θ2]T为组合体轨道面内6自由度广义坐标，r1为空间平台质心轨道半径，α1为平台质心真近点角，θ1为平台俯仰姿态角，β为两端航天器质心连线与当地水平线夹角，s为两端航天器质心连线，θ2为目标体俯仰姿态角，lrt为扣除缠绕长度后的绳长，m1为平台质量，m2为目标体质量，I1为平台俯仰转动惯量，I2为目标体俯仰转动惯量；λ为系绳松弛因子，松弛为0张紧为1；EA为系绳刚度；各广义力Qr1、Qα1、Qθ1、Qβ、Qs、Qθ2和系绳张力定义如下：其中，F为空间平台推力，τc为平台姿态控制力矩；φ为系绳与两质心连线的夹角，其与形变后的绳长l的定义如下：其中，(xd,yd)为释放点在平台本体系下坐标，(xp,yp)为抓捕点在目标体系下坐标；2)建立系绳的卷轴控制模型和缠绕模型；系绳卷轴控制模型：运用动量矩定理建立卷轴动力学模型如下：其中，Ir为卷轴转动惯量，φr为卷轴转角，Cd为卷轴阻尼系数，r为卷轴半径，Tm为卷轴电机控制力矩，lr为卷轴释放的未变形绳长，rd为系绳直径，wd为卷轴宽度，R1为无系绳时的卷轴半径，Lr为卷轴最大释放绳长；系绳缠绕模型：首先假设空间平台为am×bm的矩形，目标体与智能飞爪视为一整体，为边长是c m的正方形；其次对于空间平台从系绳释放点下侧的顶点开始，按顺时针方向对各顶点编号，依次为0,1,2,3；对于目标体从抓捕点上侧的顶点开始，仍按顺时针方向进行顶点编号，依次为0,1,2,3；当两端航天器与系绳发生缠绕时，航天器上的系绳连接点将移动到相应的顶点上，系绳连接点为释放点或抓捕点；定义平台缠绕角ψ＝θ1+β‑φ，和目标体缠绕角η＝θ2‑φ，其中，ψ为系绳与本体滚转轴负向的夹角，η为系绳与目标体滚转轴正向的夹角；当它们满足以下条件时，则认为缠绕发生：定义tw为缠绕系数，cn为缠绕圈数，ltwp为平台缠绕长度，ltwd为目标体缠绕长度，flag为缠绕点(顶点)序号；其中cn表示为：cn＝[tw/4]，[·]为取整运算符，且所取整数不超过运算符内的数；设释放点和抓捕点的各自初始坐标分别为(xd0,yd0)和(xp0,yp0)；对于平台：对于目标体：因此总缠绕长度为ltw＝ltwp+ltwd，实际扣除缠绕长度的未变形绳长为lrt＝lr‑ltw；3)防碰撞/缠绕的卷轴控制律设计；首先估算系统稳定后的张力：确定张力约束范围：其中张力上限约束如果超过推力，则设推力为张力上限；计算张力约束等效卷轴转角：计算卷轴转角跟踪误差：其中张力采用触发控制策略，只有系绳张力处于约束之外时才进行张力控制，当其处在约束范围之内则维持绳长保持不变，让张力自由变化；定义卷轴转角的快慢滑模面为：其中k₁和k₂为正常数，为快滑模跟踪偏差，ω_rc为转角速率虚拟控制量由慢滑模等效控制律推得，λ₁为抗饱和模块状态量，满足以下自适应约束：其中a1为待定正常数，g1为与卷轴模型有关的增益，ΔTm＝Tm‑sat(Tm)为控制器输出力矩与实际模型的受限输入力矩间的偏差；电机力矩饱和函数定义为：令慢滑模导数为零，得虚拟控制量为期望卷轴角速率，这里设为零；选用指数趋近律再对快滑模求导并令其等于趋近律，最后令抗饱和模块自适应约束中的g₁＝b₁，得电机控制力矩为：其中滑模面抗抖动饱和函数sat(s)定义为：其中Δ1≤10‑3，Δ2≤10‑4，Δ1和Δ2为正数；4)平台姿态控制律设计；平台俯仰姿态控制器的原理和设计步骤与卷轴力矩相同；定义平台俯仰角快、慢回路滑模面如下：其中k₃和k₄为待定正系数；Ω_θ1＝θ_1d‑θ₁为平台俯仰角指令与实际俯仰角间的偏差；为快回路状态偏差；ω_θ1c为平台俯仰角虚拟控制量，由慢回路的等效控制量得出，为期望俯仰角速率，这里设为零；λ₂为俯仰角抗饱和状态量，满足自适应约束：a₂为待定正常数，g₂为与俯仰通道模型相关的增益；Δτ_c＝τ_c‑sat(τ_c)为控制器输出力矩与实际模型的受限输入力矩间的偏差，平台俯仰控制力矩饱和函数定义为：令g2等于b2，选用指数趋近律，则得平台俯仰滑模控制律为：其中k_θ1和ε_θ1为任意正数。