[发明专利]一种自主安全逼近翻滚故障卫星的轨迹规划方法

摘要

一种自主安全逼近翻滚故障卫星的轨迹规划方法，通过建立动力学模型，利用人工势场方法，结合故障卫星的不同翻滚情况，确定服务航天器的期望速度，并规划一种安全逼近翻滚故障卫星的轨迹规划，最后设计滑模控制器，通过规划的轨迹控制航天器逼近故障卫星，本发明针对安全逼近翻滚的故障卫星过程中的轨迹规划方法，提出了一种基于人工势场思想的轨迹规划方法，根据目标的几何外形特征，分别设计了相应的路径安全约束，使得轨迹规划和控制方法更加精确，适用范围更大，与环境实现闭环，同时计算量小，便于在线计算，能够实时在线进行轨迹规划，具有很好的实时性，控制效果更佳。

主权项

1.一种自主安全逼近翻滚故障卫星的轨迹规划方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：分别建立服务航天器与翻滚故障卫星的相对运动动力学模型和翻滚故障卫星的姿态运动动力学模型，便于设计所述服务航天器的轨迹控制，服务航天器与翻滚的故障卫星的相对运动动力学模型为：其中，ux、uy、uz分别为作用在服务航天器上的控制量u在Oxyz系中的分量，Ω为翻滚故障卫星的轨道角速度；翻滚故障卫星的姿态运动动力学模型为：其中，q_ib为Ox_by_bz_b系相对于惯性系OXYZ的姿态四元数，ω_b为翻滚故障卫星在Ox_by_bz_b系中的角速度，J为翻滚故障卫星的惯量矩阵，T为作用于翻滚故障卫星上的力矩；S2：不考虑所述服务航天器与翻滚故障卫星的碰撞限制，建立所述翻滚故障卫星对接口处的势场函数，根据该势场函数随时间和空间变化的梯度，确定所述服务航天器的期望速度；具体为：根据引力势场函数得到服务航天器的期望速度vd具体为：其中，为翻滚故障卫星对接口处的引力势场函数，为接口处引力势场函数随时间和空间变化的梯度，x为服务航天器的相对位置矢量，x_dp为翻滚故障卫星在Ox_by_bz_b系中对接口的位置矢量，为Ox_by_bz_b系与OXYZ系的坐标转换矩阵，为Oxyz系与OXYZ系的坐标转换矩阵，短时间内为常值，k₁为控制参数；S3：考虑所述服务航天器与翻滚故障卫星碰撞的限制，根据所述翻滚故障卫星的翻滚轴和其对接轴的方向对翻滚运动分类，结合所述翻滚故障卫星的几何外形特点，建立所述服务航天器自主逼近具有不同类型翻滚运动的故障卫星的路径安全约束，并修正步骤S2中确定的服务航天器期望速度；S4：根据步骤S3所确定的服务航天器期望速度和路径安全约束，得到服务航天器在安全逼近翻滚故障卫星的期望轨迹上每一点每一时刻的期望速度；S5：设计滑模控制器，控制服务航天器跟踪步骤S4中得到的所述期望速度，控制服务航天器沿所述期望轨迹运动，实现对不同翻滚运动状态下的故障卫星进行自主安全逼近操作。