本發(fā)明屬于航天器控制技術(shù)研究領(lǐng)域，涉及一種空間失穩(wěn)非合作目標(biāo)的二次抓捕控制策略,該控制方法可應(yīng)用于空間繩系機器人的二次抓捕中。

背景技術(shù)：

空間繩系機器人是一種通過系繩與操控飛行器連接，具有對一定運動范圍失穩(wěn)目標(biāo)的多次抓捕能力，可重復(fù)使用的新型空間操控載荷。由于系繩的連接特性，空間繩系機器人可以在一次抓捕失敗后方便的進行二次抓捕。而二次抓捕功能作為提高其工作成功率的重要功能之一，對抓捕任務(wù)的完成具有非常重要的作用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

要解決的技術(shù)問題

為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種空間失穩(wěn)非合作目標(biāo)的二次抓捕控制策略。

技術(shù)方案

一種空間失穩(wěn)非合作目標(biāo)的二次抓捕控制策略，其特征在于步驟如下：

步驟1：空間繩系機器人開始逼近目標(biāo)，在滿足系統(tǒng)設(shè)定的抓捕條件且時進入步驟3；若不滿足抓捕條件進入步驟2；

步驟2：賦予控制系統(tǒng)回退過程的期望位置控制指令rd1和期望姿態(tài)控制指令σd1，空間繩系機器人在控制系統(tǒng)的作用下回退到安全距離，進入步驟1；

步驟3：進行抓捕，并判斷是否成功抓捕，若是，則抓捕成功，任務(wù)結(jié)束；若否，判斷系繩的張力fs是否滿足ls≤fs，若滿足，則表示系繩張緊，進入步驟4；若不滿足，則表示系繩松弛，進入步驟6；

步驟4：系繩張緊表面空間繩系機器人卡死，賦予控制系統(tǒng)卡死情況下的期望位置控制指令rd2和姿態(tài)控制指令σd2，進入步驟5；

步驟5：控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)空間繩系機器人的位置與姿態(tài)，判斷空間繩系機器人是否到達期望的位置rd2與姿態(tài)σd2，若是，進入步驟2；若否，則重復(fù)步驟5；

步驟6：判斷姿態(tài)角速度是否滿足若滿足，則表示空間繩系機器人失穩(wěn)，賦予控制系統(tǒng)失穩(wěn)情況下的期望角速度進入步驟7；若不滿足，進入步驟2；

步驟7：控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)空間繩系機器人的姿態(tài)角速度，判斷空間繩系機器人是否到達期望的角速度若是，進入步驟2；若否，則重復(fù)步驟7。

一種完成所述空間失穩(wěn)非合作目標(biāo)的二次抓捕控制策略的控制律，其特征在于：

首先建立空間繩系機器人軌道以及姿態(tài)動力學(xué)模型：

其中x,y,z為空間繩系機器人相對于平臺的位置，fsx,ftx,fsy,fty,fsz,ftz分別為空間繩系機器人受到的除重力之外的力所產(chǎn)生的三個軸向上的系繩拉力和推力器推力。n為平臺軌道的軌道角速度，mc、ib分別為空間繩系機器人的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量。σb為修正羅德里格斯參數(shù)表示的空間繩系機器人本體的姿態(tài)矢量，h為空間繩系機器人的角動量；

h^×為矢量叉乘運算的反對稱矩陣：

g(σb)定義為：tb為空間繩系機器人本體受到的合外力矩；

其次建立最優(yōu)二次型對燃料消耗進行最優(yōu)控制，最優(yōu)控制律為：

u＝-kx

其中k為使得性能指標(biāo)j＝∫[x^tqx+u^tru]dt取極小值時的解。j中矩陣q、r為hermite正定矩陣，x^tqx表示控制過程中的狀態(tài)偏差，u^tru表示控制過程中消耗的能量。要想降低燃料消耗則可以增大r中的系數(shù)。此時的控制輸出u即為系繩與推力器作用于空間繩系機器人上的合力f；

滑?？刂坡蔀椋害樱絬c-ksat(s)

其中λ為對稱正定矩陣，為姿態(tài)偏差，σbc表示當(dāng)前測量得到的姿態(tài)角，σbd為期望的本體姿態(tài)角；為姿態(tài)角速度偏差，表示當(dāng)前測量得到的姿態(tài)角速度，為期望的姿態(tài)角速度。為根據(jù)位置誤差修正期望姿態(tài)角速度得到的參考姿態(tài)角速度；

有益效果

本發(fā)明提出的一種空間失穩(wěn)非合作目標(biāo)的二次抓捕控制策略,首先建立的空間繩系機器人的軌道以及姿態(tài)動力系模型，然后對模型進行了變換與分析，根據(jù)軌道控制最少燃料的要求設(shè)計了最優(yōu)二次型控制器，根據(jù)二次抓捕策略的要求，基于姿態(tài)模型建模不精確性，外界未知干擾等的影響，設(shè)計了強魯棒性的準(zhǔn)滑?？刂破?。

附圖說明

圖1：空間繩系機器人抓捕目標(biāo)示意圖：

1為空間平臺；2為空間繩系機器人；3為空間目標(biāo)；4為地球；5為空間系繩；6為平臺軌道。

圖2：系統(tǒng)指令流向圖

圖3：整體的控制流程圖

圖4：控制策略示意圖。

具體實施方式

現(xiàn)結(jié)合實施例、附圖對本發(fā)明作進一步描述：

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案包括：

1)空間繩系機器人二次抓捕控制策略；

2)空間繩系機器人軌道以及姿態(tài)動力學(xué)模型的建立；

3)控制器設(shè)計。

1)空間繩系機器人二次抓捕控制策略

二次抓捕是在首次抓捕進行到抓捕段后發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的狀態(tài)不便于抓捕，或是第一次抓捕失敗，但是繩系機器人仍然具備抓捕能力的情況下，先將繩系機器人回退到安全位置，然后調(diào)整繩系機器人的位姿對目標(biāo)再次進行逼近抓捕的過程。

由于系繩的存在，在進行二次抓捕回退過程軌道控制時，可以利用系繩結(jié)合推力器讓空間繩系機器人能按照給定的軌跡回退到安全距離處。繩子的拉力可以用來輔助的軌道控制，減少推力器的燃料消耗。

二次抓捕過程的重點是控制空間繩系機器人安全退回到安全位置?？臻g繩系機器人安全回撤過程的難點是：空間繩系機器人與目標(biāo)發(fā)生碰撞導(dǎo)致空間繩系機器人姿態(tài)發(fā)生劇烈變化，以及空間繩系機器人卡在目標(biāo)上兩種情況。綜合考慮上述兩種情況，通過系繩張力的情況判斷空間繩系機器人抓捕后的狀態(tài)，對于空間繩系機器人姿態(tài)發(fā)生劇烈變化的情況，需要快速對其姿態(tài)進行穩(wěn)定控制，對于卡死的情況，需要先將空間繩系機器人繞x軸旋轉(zhuǎn)確定的角度，然后保持姿態(tài)穩(wěn)定進行軌道控制，兩種情況都可以認為是對給定的期望姿態(tài)進行跟蹤控制。整體的控制流程見圖3。

控制策略與系統(tǒng)各部分之間的關(guān)系見附圖2，二次抓捕控制策略主要是在空間繩系機器人在具備二次抓捕條件下，綜合各個傳感器測量得到目標(biāo)的位置矢量rt、姿態(tài)矢量σt，系繩張力矢量fs，空間繩系機器人本體的位置矢量rb、姿態(tài)矢量σb等信息給出系統(tǒng)下一步的行動指令，然后給出控制器的期望跟蹤指令，最后控制器根據(jù)該指令計算出控制力矩。

控制策略的具體內(nèi)容如圖4：其中，表示空間繩系機器人與目標(biāo)之間的相對位置矢量，表示空間繩系機器人與目標(biāo)之間的相對姿態(tài)矢量，lr/σ/b/s,hr/σ分別表示對應(yīng)參數(shù)的下限和上限。

2)空間繩系機器人軌道以及姿態(tài)動力學(xué)模型的建立

坐標(biāo)系定義見附圖1.

綜合hill方程和姿態(tài)動力學(xué)方程，可得：

其中x,y,z為空間繩系機器人相對于平臺的位置，fsx,ftx,fsy,fty,fsz,ftz分別為空間繩系機器人受到的除重力之外的力所產(chǎn)生的三個軸向上的系繩拉力和推力器推力。n為平臺軌道的軌道角速度，mc、ib分別為空間繩系機器人的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量。σb為修正羅德里格斯參數(shù)表示的空間繩系機器人本體的姿態(tài)矢量，h為空間繩系機器人的角動量；

h^×為矢量叉乘運算的反對稱矩陣：

g(σb)定義為：tb為空間繩系機器人本體受到的合外力矩。

分別選擇位置參數(shù)姿態(tài)參數(shù)p＝σb，為狀態(tài)變量可以得到如下表達式：

上式中m(p)＝ibg^-1(σb)，

3)控制器設(shè)計

對于軌道控制，采用最優(yōu)二次型對燃料消耗進行最優(yōu)控制。

取最優(yōu)控制律為

u＝-kx

其中k為使得性能指標(biāo)j＝∫[x^tqx+u^tru]dt取極小值時的解。j中矩陣q、r為hermite正定矩陣，x^tqx表示控制過程中的狀態(tài)偏差，u^tru表示控制過程中消耗的能量。要想降低燃料消耗則可以增大r中的系數(shù)。此時的控制輸出u即為系繩與推力器作用于空間繩系機器人上的合力f。

求解性能指標(biāo)可知，k＝r^-1b^tp，其中p由a^tp+pa-pbr^-1b^tp+q＝0解得。

對于姿態(tài)控制，要求其先以一個較小的角速度繞本體系的x軸旋轉(zhuǎn)，脫離目標(biāo)后，保持穩(wěn)定狀態(tài)，不自旋，各軸向的姿態(tài)角穩(wěn)定在期望值附近。為克服模型建模不精確以及系統(tǒng)干擾的影響，利用滑?？刂圃O(shè)計控制器：

定義滑模面為

其中λ為對稱正定矩陣，為姿態(tài)偏差，σbc表示當(dāng)前測量得到的姿態(tài)角，σbd為期望的本體姿態(tài)角；為姿態(tài)角速度偏差，表示當(dāng)前測量得到的姿態(tài)角速度，為期望的姿態(tài)角速度。為根據(jù)位置誤差修正期望姿態(tài)角速度得到的參考姿態(tài)角速度。

為避免顫振，采用如下控制律：

τ＝uc-ksat(s)

其中υc，pc為測量得到的系統(tǒng)狀態(tài)參量。

其中sat(s)為飽和函數(shù)，對于s的每一個分量si有如下關(guān)系：

假設(shè)系統(tǒng)的精確模型為其中為未建模部分以及外界未知干擾。

定義誤差模型為

其中

要使控制器漸進穩(wěn)定，則要求k中的每一項ki均滿足其中常數(shù)ηi是嚴(yán)格正的。