一种空间机器人步态规划与飞行相姿态控制方法技术

本发明专利技术公开的一种空间机器人步态规划与飞行相姿态控制方法，属于飞行器制导、导航和控制领域。本发明专利技术实现方法为：针对空间机器人的带有长飞行相的三种步态，使用占空比和偏移量描述其运动矩阵；在此基础上，建立空间机器人的标准姿态动力学模型并进行简化；为获得姿态动力学简化模型中的虚拟姿态控制力矩，设计空间机器人的姿态控制器，姿态控制器由线性扩张状态观测器和线性状态误差反馈律两部分组成；设计空间机器人的操纵律；将步态设计、姿态动力学模型、姿态控制器、机器人操纵律联合形成空间机器人姿态动力学与控制系统，完成空间机器人步态规划与飞行相姿态控制，使得空间机器人在低重力环境下，具有更高的运动效率和稳定性。定性。定性。

【技术实现步骤摘要】
一种空间机器人步态规划与飞行相姿态控制方法


[0001]本专利技术涉及种空间机器人步态规划与飞行相姿态控制方法,尤其涉及一种空间机器人跳跃行走步态规划方法，以及带有长时间飞行相位的跳跃行走过程的姿态控制方法，属于飞行器制导、导航和控制领域。

技术介绍

[0002]空间机器人在空间站建设及深空探测领域具有广泛应用。空间机器人属于典型的多体系统，对此类系统的动力学建模已经形成专门的力学学科——多体系统动力学。根据不同建模思路，多体动力学模型可分为两大类别：耦合动力学模型及递推动力学模型。在机器人完整动力学模型的基础上，为了控制设计需要，出现了各类用于控制设计的简化模型，分别是全身动力学模型、质心动力学模型、力旋量模型、重力
‑
惯性力旋量模型、压心或零力矩点模型。几类模型逐级简化，复杂的模型含有更多机器人动力学信息，对机器人的物理特性描述更加准确，但同时计算复杂度更高，所需计算时间更长，简化的模型则相反。因此，通常需要根据不同需求使用不同的动力学模型，以实现最优的控制效果。
[0003]常见的空间足式机器人通过与地面高频接触产生的地面反作用力实现自身姿态控制。而对于一些具有较长飞行相位或较低步态频率的足式机器人，无法仅通过短时的地面作用力实现长时间飞行相位中的姿态控制，需要通过其它方式(如飞轮、陀螺、单摆等机构)实现姿态控制。Kim等利用双矢量旋翼进行位置、姿态控制，设计了一种带有飞行、步行等多模态的足式机器人，可以实现走钢丝绳、滑滑板等操作；Lee等在四足机器人的基础上，加装两轴飞轮组，利用优化控制算法，完成了机器人对角双腿站立平衡、过独木桥等任务。然而，上述研究中尚未考虑利用飞轮和腿摆动实现长时间飞行相中的姿态动力学建模及控制问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的主要目的是提供一种空间机器人跳跃行走步态规划与飞行相姿态控制方法，使得空间机器人在低重力环境下，具有更高的运动效率和稳定性。本专利技术中步态规划与姿态控制方法，充分考虑机器人动力学与环境特性，具有控制精度高、鲁棒性强等优点。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现。
[0006]本专利技术公开的一种空间机器人步态规划与飞行相姿态控制方法，针对空间机器人的带有长飞行相的三种步态，使用占空比和偏移量描述其运动矩阵；在此基础上，建立空间机器人的标准姿态动力学模型并进行简化；为获得姿态动力学简化模型中的虚拟姿态控制力矩τ
b
，设计空间机器人的姿态控制器，姿态控制器由线性扩张状态观测器和线性状态误差反馈律两部分组成；设计空间机器人的操纵律；将步态设计、姿态动力学模型、姿态控制器、机器人操纵律联合形成空间机器人姿态动力学与控制系统，完成空间机器人步态规划与飞行相姿态控制。
[0007]本专利技术公开的一种空间机器人跳跃行走步态规划与飞行相姿态控制方法，包括如
下步骤：
[0008]步骤一：针对空间机器人带有长飞行相的三种步态，使用占空比和偏移量参数描述空间机器人步态的运动矩阵，三种步态分别是飞行对角步态、跃羚跳步态和跃跳步态；
[0009]飞行对角步态(Flying trot)的运动矩阵为
[0010][0011]跃羚步态(Pronk)的运动矩阵为
[0012][0013]跃跳步态(Bound)的运动矩阵为
[0014][0015]其中，G
d
表示占空比向量；G
o
表示偏移量向量。
[0016]步骤二：基于步骤一建立的空间机器人步态的运动矩阵，建立空间机器人的标准姿态动力学模型，忽略标准姿态动力学模型中关于空间机器人质心位置项p以及由关节角速度引起的科氏力项C，得到简化的机器人姿态动力学模型，便于后续步骤四中空间机器人姿态操纵律构建，实现精确的控制力矩分配。
[0017]以空间机器人的摆动腿和飞轮为执行机构，建立的标准姿态动力学模型为
[0018][0019]其中，M(G)是与步态运动矩阵G相关的广义质量矩阵，C是科氏力和离心力组成的非线性项矩阵，g是广义重力向量，是空间机器人质心位置，是描述空间机器人姿态运动的欧拉角；是空间机器人摆动腿关节角度，是空间机器人三轴飞轮的转动角度；和分别是空间机器人腿关节和飞轮的驱动力矩；是作用在空间机器人躯干上的虚拟力矩。
[0020]由于空间机器人的步态切换对姿态的要求远高于对位置的要求，忽略标准姿态动力学模型中关于空间机器人质心位置的项，得到初步简化的动力学模型为
[0021][0022]考虑到在飞行相中，空间机器人关节角变化较慢，忽略由关节角速度引起的科氏力项C，得到最终简化后的动力学模型为
[0023][0024]步骤三：为获得步骤二姿态动力学简化模型中的虚拟控制力矩τ
b
，并保证姿态控制精度与鲁棒性，使用由线性扩张状态观测器(Linear Extended State Observer,LESO)和线性状态误差反馈律(linear state error feedback law,LSEF)组成的自抗扰控制方法，设计空间机器人的姿态控制器。
[0025]步骤3.1设计扩张状态观测器，得到系统状态θ，和姿态总扰动的观测值；
[0026]因为步骤二建立的空间机器人的简化姿态动力学模型为二阶系统，因此设计三阶形式的扩张状态观测器，形式如下：
[0027][0028]其中，e是状态观测误差，z1，z2，z3分别是θ，和姿态总扰动的观测值；[β1，β2，β3]是设计的观测器增益；b0是控制增益；||τ
b
||是控制输出。将观测器的三个极点设置在
‑
ω0处，ω0为观测器带宽，则观测器增益表示为：
[0029][0030]步骤3.2基于步骤3.1获得的观测值，设计线性状态误差反馈律；
[0031]使用扩张状态观测器获得的观测值z1，z2，设计线性状态误差反馈律，形式如下：
[0032][0033]其中，θ
des
，是期望角度和角速度；K
p
,K
d
是控制系数；u0是线性状态误差反馈律的输出控制量。
[0034]步骤3.3将步骤3.1获得的扩张状态观测器和步骤3.2获得的线性状态误差反馈律联立，获得空间机器人的姿态控制器。
[0035]步骤四：虚拟控制力矩τ
b
是飞轮和摆动腿执行器控制力矩的综合体现，飞轮力矩输出精准但力矩输出较小、容易饱和，而摆动腿能够提供较大控制力矩，但力矩精度差且不连续，针对上述两类执行器优缺点，设计空间机器人的操纵律，实现对虚拟控制力矩τ
b
更合理精准的分配。
[0036]空间机器人操纵律用于描述虚拟控制力矩τ
b
、飞轮驱动力矩τ
r
以及的腿关节驱动力矩τ
l
之间的关系，形式如下：
[0037][0038]其中K是控制增益系数，I是单位矩阵。
[0039]步骤五：本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种空间机器人跳跃行走步态规划与飞行相姿态控制方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：针对空间机器人带有长飞行相的三种步态，使用占空比和偏移量参数描述空间机器人步态的运动矩阵，三种步态分别是飞行对角步态、跃羚跳步态和跃跳步态；步骤二：基于步骤一建立的空间机器人步态的运动矩阵，建立空间机器人的标准姿态动力学模型，忽略标准姿态动力学模型中关于空间机器人质心位置项以及由关节角速度引起的科氏力项，得到简化的机器人姿态动力学模型，便于后续步骤四中空间机器人姿态操纵律构建，实现精确的控制力矩分配；步骤三：为获得步骤二姿态动力学简化模型中的虚拟控制力矩τ
b
，并保证姿态控制精度与鲁棒性，使用由线性扩张状态观测器LESO和线性状态误差反馈律LSEF组成的自抗扰控制方法，设计空间机器人的姿态控制器；步骤四：虚拟控制力矩τ
b
是飞轮和摆动腿执行器控制力矩的综合体现，飞轮力矩输出精准但力矩输出较小、容易饱和，而摆动腿能够提供较大控制力矩，但力矩精度差且不连续，针对上述两类执行器优缺点，设计空间机器人的操纵律，实现对虚拟控制力矩τ
b
更合理精准的分配；步骤五：将步骤一建立的飞行相步态矩阵、步骤二建立的姿态动力学模型、步骤三设计的姿态控制器、步骤四设计的操纵律联立，整理得到空间机器人跳跃行走步态规划与飞行相姿态控制优化问题，进一步整理为二次规划问题进行求解，根据优化结果实现对低重力环境下空间机器人高效运动步态的规划及飞行相姿态控制。2.如权利要求1所述的一种空间机器人跳跃行走步态规划与飞行相姿态控制方法，其特征在于：步骤一中，飞行对角步态(Flying trot)的运动矩阵为跃羚步态(Pronk)的运动矩阵为跃跳步态(Bound)的运动矩阵为其中，表示占空比向量；表示偏移量向量。3.如权利要求2所述的一种空间机器人跳跃行走步态规划与飞行相姿态控制方法，其特征在于：步骤二实现方法为，以空间机器人的摆动腿和飞轮为执行机构，建立的标准姿态动力学模型为
其中，M(G)是与步态运动矩阵G相关的广义质量矩阵，是科氏力和离心力组成的非线性项矩阵，是广义重...

【专利技术属性】
技术研发人员：李林澄，周春阳，杨科莹，蔡晗，张景瑞，徐明，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：