本发明专利技术涉及一种空间绳系机器人抓捕挠性目标卫星后的姿态接管控制方法，考虑到惯量不确定性、耦合效应、外部干扰等因素建立了复合体姿轨耦合动力学方程，设计内外环终端滑模控制器，并考虑了推力器和系绳的饱和特性对复合体姿态和角速度进行稳定控制。首先：建立空间绳系机器人抓捕目标卫星后复合体的姿态动力学方程；设计内外环终端滑模控制器和相应的自适应律；以内环控制律和外环控制律作为控制系统的输入进行挠性目标卫星捕获后的姿态接管控制。并进行Lyapunov稳定性证明，可用于解决挠性复合体参数不确定和空间绳系机器人自带推力器饱和问题。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于空间非合作目标抓捕后的姿态稳定接管控制领域，涉及一种空间绳系机器人抓捕挠性目标卫星后的姿态接管控制方法，该控制方法可用于解决挠性复合体参数不确定和空间绳系机器人自带推力器饱和问题。
技术介绍
目标航天器接管控制主要是指服务航天器通过空间机械手、对接机构或者其它等设备与目标航天器固连形成组合体后，接管其姿轨道控制功能，通过自身的执行机构(如推力器、反作用轮、磁力矩等)来实现对目标航天器姿态与轨道的精确控制。由于非合作目标航天器无交会对接相关辅助设备，与其进行对接比较困难，故采用空间机器人对其进行抓捕更具有普遍性。空间绳系机器人，继承了绳系机器人系统进行航天器接管控制时回收范围大，活动灵活的优点，其操作距离可达数百米，避免了目标抓捕过程中与平台的碰撞，提高了抓捕过程的安全性；系绳的柔性特性，使得空间平台受目标旋转、挣扎的影响较小，且在危险等级较高时，可通过切断系绳保证空间平台的安全，提高目标捕获后的安全性；系绳的连接特性，使得在抓捕失败后可以方便地进行二次抓捕。空间绳系机器人抓捕旋转失稳目标后形成复合体，此时若不进行抓捕后复合体的接管控制，将会增加后续操作(如拖曳变轨、设备维护等)的难度，复合体的稳定可依靠绳系机器人自带的执行机构(如推力器、反作用飞轮等)配合空间平台对空间系绳拉力来完成。HuQ等设计了一种非线性比例-积分控制分配算法对带有冗余推力器且不含角速度测量的挠性航天器的姿态容错控制进行了研究，ZhaoD等研究了挠性航天器在执行器完全失效情况下的姿态和角速度渐进稳定控制问题，EddineBJ等设计了抗扰动PD控制和外部扩张观测器来解决挠性航天器振动、环境干扰以及建模不确定性问题。黄攀峰等针对姿轨控系统已失效的目标航天器姿态控制问题，提出一种利用空间机械臂抓捕目标后姿态接管控制方法。以上这些方法都是针对单挠性航天器姿态进行稳定控制，或未考虑抓捕后复合体的有限时间控制问题，而对空间绳系机器人目标抓捕后复合体的姿态有限时间接管控制还处于空白阶段。
技术实现思路
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种空间绳系机器人抓捕挠性目标卫星后的姿态接管控制方法，考虑到惯量不确定性、耦合效应、外部干扰等因素建立了复合体姿轨耦合动力学方程，设计内外环终端滑模控制器，并考虑了推力器和系绳的饱和特性对复合体姿态和角速度进行稳定控制，并对设计的控制器进行Lyapunov稳定性证明。技术方案一种空间绳系机器人抓捕挠性目标卫星后的姿态接管控制方法，其特征在于步骤如下：步骤1、建立空间绳系机器人抓捕挠性目标后跟踪误差姿态动力学方程：其中，ω＝[ω1ω2ω3]T∈R3，ω1，ω2和ω3为复合体绝对角速度在本体坐标系下的分量；J∈R3×3为复合体转动惯量的名义值；ωd为期望的姿态角速度；为总干扰力矩；τ为空间绳系机器人的控制力矩；ω×为角速度ω的反对称矩阵；ΔJ为转动惯量的不确定量；TL∈R3×1为系绳摆动力矩；角速度跟踪误差ωe＝ω-R(σe)ωd；所述ωe＝ω-R(σe)ωd中，R(σe)＝R(σ)[R(σd)]T，σ＝[σ1σ2σ3]T∈R3为修正的罗德里格参数表示，σd为期望的修正罗德里格数，E3为3阶单位矩阵；所述中，δ∈R3×N为挠性部件与刚性体之间的耦合系数；Λ为挠性部件模态振型频率；Λ2＝diag{Λ12，…，ΛN2本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种空间绳系机器人抓捕挠性目标卫星后的姿态接管控制方法，其特征在于步骤如下：步骤1、建立空间绳系机器人抓捕挠性目标后跟踪误差姿态动力学方程：(J0-δδT)ω·e=τ-ω×J0ω-(J0-δδT)ω·d+TL+d‾]]>其中，ω＝[ω1 ω2 ω3]T∈R3，ω1,ω2和ω3为复合体绝对角速度在本体坐标系下的分量；J∈R3×3为复合体转动惯量的名义值；ωd为期望的姿态角速度；为总干扰力矩；τ为空间绳系机器人的控制力矩；ω×为角速度ω的反对称矩阵；ΔJ为转动惯量的不确定量；TL∈R3×1为系绳摆动力矩；角速度跟踪误差ωe＝ω‑R(σe)ωd；所述ωe＝ω‑R(σe)ωd中，R(σe)＝R(σ)[R(σd)]T，σ＝[σ1 σ2 σ3]T∈R3为修正的罗德里格参数表示,σd为期望的修正罗德里格数，E3为3阶单位矩阵；所述中，δ∈R3×N为挠性部件与刚性体之间的耦合系数；Λ为挠性部件模态振型频率；Λ2＝diag{Λ12,…,ΛN2}为挠性部件的刚度矩阵；ξ为挠性模态阻尼系数，2ξΛ＝diag{2ξ1Λ1,…,2ξNΛN}为挠性部件的阻尼矩阵，N为所考虑的挠性部件模态阶数；η∈RN为挠性部件模态坐标；为外部干扰力矩，包括太阳光压力、地球重力梯度等扰动的影响；步骤2、内外环终端滑模控制器和相应的自适应律设计：1、内环快速终端滑模面：其中，z2＝ωe‑ωc‑χ2，χ2为指令滤波中设计的变量；K1＝diag{k11,k12,k13},K2＝diag{k21,k22,k23}为待设计参数，且满足k1i＞0,k2i＞0(i＝1,2,3)，SIn＝[SIn1,SIn2,SIn3]T，|ωe|psign(ωe)＝[|ωe1|psign(ωe1),|ωe2|psign(ωe2),|ωe3|psign(ωe3)]T，0.5＜p＜1，sign(ωe)为符号函数；内环控制律：τ＝τnorm+τcom，其中，τnorm=ω×J0ω+(J0-δδT)(R(σe)ω·d-ωe×R(σe)ωd)+(J0-δδT)ω·c-(J0-δδT)a2χ2-(J0-δδT)K1z2-(J0-δδT)K2|z2|psign(z2)τcom=-α^Tα^SIn-ϵ24SIn-SIn||SIn||2[h(SInT(J0-δδT)SIn)1/2+||α^||+14ϵΣi=13|α^i|]]]>其中，τnorm∈R3为标称控制量，用来消除标称量(‑ω×Jω+(J+δδT)ωe×ω)，τcom∈R3为补偿控制量，主要用于提高系统鲁棒性，消除因惯量、扰动、耦合等作用而引起的系统不确定项，从而保证控制系统状态能够到达滑模面；0＜γ≤ε，ε为足够小实数；参数自适应律满足r，h和ζ为实常数；2.外环快速终端滑模面：其中，z1＝σe‑χ1，χ1为指令滤波中设计的变量；D1＝diag{d11,d12,d13}，D2＝diag{d21,d22,d23}为待设计参数，且满足d1i＞0,d2i＞0(i＝1,2,3)，SOu＝[SOu1,SOu2,SOu3]T，|z1|psign(z1)＝[|z11|psign(z11),|z12|psign(z12),|z13|psign(z13)]T，0.5＜q＜1，sign(z1)为符号函数。外环控制律其中，a1和η为待设计的参数，步骤3：以内环控制律τ＝τnorm+τcom和外环控制律作为控制系统的输入进行挠性目标卫星捕获后的姿态接管控制，并进行稳定性证明。步骤4：设计带压电陶瓷驱动器的挠性航天器的振动抑制控制器控制η。挠性航天器振动抑制控制器设计为up=Fδ1Tη·]]>式中，F为正常数。...
【技术特征摘要】
1.一种空间绳系机器人抓捕挠性目标卫星后的姿态接管控制方法，其特征在于步骤如下：步骤1、建立空间绳系机器人抓捕挠性目标后跟踪误差姿态动力学方程：(J0-δδT)ω·e=τ-ω×J0ω-(J0-δδT)ω·d+TL+d‾]]>其中，ω＝[ω1ω2ω3]T∈R3，ω1,ω2和ω3为复合体绝对角速度在本体坐标系下的分量；J∈R3×3为...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄攀峰，鲁迎波，孟中杰，刘正雄，张夷斋，张帆，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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