CN106406329A - 一种基于永磁涡流效应的空间翻滚目标消旋控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于永磁涡流效应的空间翻滚目标消旋控制方法，服务航天器停靠在机械臂工作空间内且距翻滚非合作目标安全距离处；携带的视觉检测系统测量目标角动量矢量H方向，自旋轴位置矢量Z_b方向，机械臂带动末端的永磁涡流制动装置到初始消旋位置，停靠位置位于目标角动量矢量方向、距离目标表面100mm处；启动永磁涡流制动装置，根据目标翻滚过程中姿态角的实时变化修正输出外力矩T₁的矢量方向直至章动角完全衰减，目标旋转状态此时变为单自旋运动状态；调整永磁涡流制动装置位置至翻滚非合作目标侧面，启动永磁涡流制动装置，输出制动力矩T₂直至单自旋运动状态完全衰减；目标完全消旋后，将末端执行器更换为抓捕手爪，利用机械臂对目标进行直接捕获。

Description

一种基于永磁涡流效应的空间翻滚目标消旋控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于永磁涡流效应的空间翻滚目标消旋控制方法，属于空间翻滚目标消旋控制方法技术领域。

背景技术

人类对外太空的探索活动逐渐增加，每年都进行大量的太空发射任务，以满足通信、气象监测以及国际空间站维护等需求。人类活动对空间环境产生了持续深远的影响，太空中残留的火箭推进器、失效卫星、航天器任务抛弃物、航天器解体及碰撞衍生物等大量空间碎片对人类航天事业的发展构成了巨大威胁，因此，对空间碎片的主动移除工作迫在眉睫。通常，空间碎片已失去姿态调整能力，且长期处于失控状态运行，受太阳光压、重力梯度及自身残余角动量等摄动力矩的影响，往往会出现翻滚运动。在空间环境等非主动力作用下，自由漂浮物体的旋转速度通常可以达到6°/s，携带推进系统的航天器在控制系统失效后旋转速度可能在短期内增加到几十甚至上百°/s。对于这类翻滚非合作目标，难以对其实施直接捕获，消旋后再捕获是较为可行的方式。

对于高速翻滚的目标，如果采用直接接触的方式进行消旋存在碰撞风险。已经提出的附着式消旋方法包括在目标上附着磁场源，利用地磁场作用力矩消旋；或者在目标上附着太阳帆、细胞帆，利用太阳光压力矩消旋等。附着过程本身就是控制附着物直接与高速翻滚目标接触并连接到一起，如何安全、准确地附着同时减缓碰撞仍是一个难题。利用非接触方式消旋，例如星间库仑力、气体脉冲、激光、粒子束轰击方法需要携带相应的发生系统，增加了整个系统的复杂性，非接触消旋方式还需对发生系统进行简化。

利用涡流制动原理的非接触式涡流制动刹车系统在地面已经得到应用，将这一原理拓展到太空中，例如Sugai等人提出的电磁涡流制动装置有效作用气隙只有几mm，极易发生碰撞，限制了其在翻滚目标消旋领域的应用。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，进而提供一种基于永磁涡流效应的空间翻滚目标消旋控制方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于永磁涡流效应的空间翻滚目标消旋控制方法，包括以下步骤：

步骤一、服务航天器向翻滚非合作目标接近，停靠在机械臂工作空间内且距翻滚非合作目标安全距离处；

步骤二、服务航天器携带的视觉检测系统测量目标角动量矢量H方向，自旋轴位置矢量Z_b方向，机械臂带动末端的永磁涡流制动装置到初始消旋位置，停靠位置位于目标角动量矢量方向、距离目标表面100mm处；

步骤三、启动永磁涡流制动装置，根据目标翻滚过程中姿态角的实时变化修正输出外力矩T₁的矢量方向直至章动角完全衰减，目标旋转状态此时变为单自旋运动状态；

步骤四、调整永磁涡流制动装置位置至翻滚非合作目标侧面，启动永磁涡流制动装置，输出制动力矩T₂直至单自旋运动状态完全衰减；

步骤五、目标完全消旋后，将末端执行器更换为抓捕手爪，利用机械臂对目标进行直接捕获。

所述步骤二中永磁涡流制动装置的初始消旋位置必须位于目标角动量矢量H方向，否则偏离角动量矢量方向则无法实现步骤三中的章动角衰减。

所述步骤三中永磁涡流制动装置进行章动角衰减时，作用力矩T₁需满足

其中，r为外力作用点在本体系中的位置矢量，F为目标所受电磁力，ω_z为角速度矢量在自旋轴Z_b方向的分量，λ₁,λ₂为与电磁力幅值有关的常数，I_x，I_y，I_z为三轴转动惯量分量，ω_x，ω_y，ω_z为三轴角速度分量。

所述步骤四中，目标进行单轴衰减时，外力矩T₂需满足

T₂＝-λ₃H

λ₃为与电磁力幅值有关的常数。目标在外力矩T₂作用下角速度衰减满足

其中ω_z0为单自旋衰减时，目标初始角速度。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

一、本发明无需在目标上附着额外磁场源等装置。本发明中对目标的作用力只是由源磁场相对目标转动激发产生的，目标外表面为导体即可使用本方法。

二、作用距离大，较电磁制动装置只有几个mm的作用距离，本发明所采用的组合永磁磁场源在100mm大气隙情况下，作用力仍可以达到10²mN数量级，满足了航天器消旋过程中的姿态调整控制需求。

三、本发明耗费能源较少。消旋过程中能量仅消耗在电机带动永磁涡流制动装置旋转上，且电能可通过太阳帆板补充，节省推进剂，可多次循环利用，降低了航天成本，拓展了现有机械臂对翻滚目标的抓捕能力。

附图说明

图1为永磁涡流消旋系统示意图。

图2为消旋过程流程图。

图3为永磁涡流消旋末端执行器外壳结构图。

图4为组合永磁源排布及磁化方向图。

图5为章动角衰减原理图。

图6为自旋衰减原理图。

图7为章动角衰减策略下章动角变化仿真图。

图8为自旋衰减策略下自旋转速衰减仿真图。

图中的附图标记，1为翻滚非合作目标，2为目标表面，3为永磁涡流制动装置，4为机械臂，5为服务航天器，6为外壳，7为永磁体支座，8为永磁体安装槽，9为永磁体。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

实施例1

本实施例为解决服务航天器5上携带的多自由度的机械臂4难以直接抓捕高速翻滚非合作目标1这一问题，提供了一种安装在机械臂末端的永磁涡流制动装置3，在机械臂4末端电机的带动下旋转，在目标表面2主动感生出控制力矩。利用机械臂4自身运动的柔性，根据实测的翻滚非合作目标1的姿态实时控制输出力矩，衰减翻滚非合作目标1的章动及自旋运动，最终达到完全消旋，实现对翻滚非合作目标1的直接抓捕。

本实施例设计了永磁涡流制动装置3，具体结构包括外壳6、永磁体支座7，永磁体9构成，整个结构与转轴固定连接，转轴另一端与机械臂4末端通过轴承连接，永磁涡流制动装置3转动的动力由机械臂4末端电机提供。永磁涡流制动装置内部永磁体支座7在圆周方向均匀加工八个永磁体安装槽8，用于安装按一定磁化规律排布八块永磁体9，构成类似Halbach结构安装于末端执行器壳体中，单块永磁体尺寸为30×30×50mm。整个组合永磁涡流制动装置3在机械臂4末端带动下，圆周面正对目标表面转动时，可产生与目标表面相切的电磁力F，相应的制动电磁力矩为T＝r×F。其中r为电磁力作用点在目标本体坐标系中的位置矢量。利用机械臂4自身灵活运动特性，控制永磁涡流制动装置3与目标表面2相对距离以及转轴与目标自旋轴Z_b的夹角、转轴转速的大小和方向，即可控制输出力矩的大小和方位。

本实施例对目标消旋的流程如图2所示，主要步骤如下：

步骤一、服务航天器向翻滚非合作目标2接近，停靠在机械臂4的工作空间内且距翻滚非合作目标2安全距离处；

步骤二、服务航天器携带的视觉检测系统测量目标角动量矢量H方向，自旋轴位置矢量Z_b方向，机械臂4带动末端的永磁涡流制动装置3到初始消旋位置。停靠位置位于目标角动量矢量方向、距离目标表面100mm处；永磁涡流制动装置3的初始消旋位置必须位于目标角动量矢量H方向，否则偏离角动量矢量方向则无法实现步骤三中的章动角衰减；

步骤三、启动永磁涡流制动装置3，根据翻滚非合作目标2翻滚过程中姿态角的实时变化修正输出外力矩T₁的矢量方向直至章动角完全衰减，翻滚非合作目标2旋转状态此时变为单自旋运动状态；作用力矩T₁需满足：

其中，r为外力作用点在本体系中的位置矢量，F为目标所受电磁力，ω_z为角速度矢量在自旋轴Z_b方向的分量，λ₁,λ₂为与电磁力幅值有关的常数，I_x，I_y，I_z为三轴转动惯量分量，ω_x，ω_y，ω_z为三轴角速度分量；

步骤四、调整永磁涡流制动装置位置至翻滚非合作目标2侧面，启动永磁涡流制动装置，输出制动力矩T₂直至单自旋运动状态完全衰减；外力矩T₂需满足：

T₂＝-λ₃H

λ₃为与电磁力幅值有关的常数。翻滚非合作目标目标2在外力矩T₂作用下角速度衰减满足：

其中ω_z0为单自旋衰减时，翻滚非合作目标目标2初始角速度；

步骤五、翻滚非合作目标目标2完全消旋后，将末端执行器3更换为抓捕手爪，利用机械臂4对目标进行直接捕获。

实施例2

以机械臂捕获空间翻滚目标为实例，说明本实施例中消旋方法的有效性。翻滚非合作目标的转动惯量为：

I＝diag(6.87,6.87,10.306)Kg.m²

假设初始时刻，目标转速在本体坐标系下的分量为(10，10，30)°/s，目标半径为0.2m，作用距离为0.1m。根据实验测量由8块尺寸为30×30×50mm，材料为NdFeB(N50)，剩磁为1.42T构成的永磁涡流制动装置3，在转速为200RPM时，距离目标表面0.1m可产生157.5mN的电磁力，在目标上感生的电磁力矩约为0.3Nm。

根据实施例1所述步骤三中的控制算法控制永磁涡流制动装置进行章动角衰减时，目标章动角θ衰减的过程如图7所示。

根据实施例1所述步骤四描述的外力矩控制算法控制永磁涡流制动装置进行自旋衰减时，得到目标自旋衰减过程中，角速度变化情况如图8所示。

本发明利用其附着在机械臂末端的灵活性，产生与目标姿态匹配的可变衰减力矩，对目标进行章动角衰减、自旋衰减直至完全消旋。永磁制动器直接集成到机械臂末端执行机构中，不需要对机械臂结构进行改动，即可实现消旋-抓捕一体化的功能，拓展现有机械臂对翻滚目标的抓捕能力。

永磁涡流制动装置在机械臂末端电机带动下产生旋转磁场，与目标表面作用产生制动力矩。在视觉系统引导下，永磁涡流制动装置按照设计的控制律进行运动，衰减目标翻滚运动。待目标章动角、自旋运动完全衰减后，将末端执行器更换为抓捕手爪，即可抓捕目标。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于永磁涡流效应的空间翻滚目标消旋控制方法，其特征在于，

步骤一、服务航天器向翻滚非合作目标接近，停靠在机械臂工作空间内且距翻滚非合作目标安全距离处；

步骤二、服务航天器携带的视觉检测系统测量目标角动量矢量H方向，自旋轴位置矢量Z_b方向，机械臂带动末端的永磁涡流制动装置到初始消旋位置，停靠位置位于目标角动量矢量方向、距离目标表面100mm处；

步骤三、启动永磁涡流制动装置，根据目标翻滚过程中姿态角的实时变化修正输出外力矩T₁的矢量方向直至章动角完全衰减，目标旋转状态此时变为单自旋运动状态；

步骤四、调整永磁涡流制动装置位置至翻滚非合作目标侧面，启动永磁涡流制动装置，输出制动力矩T₂直至单自旋运动状态完全衰减；

步骤五、目标完全消旋后，将末端执行器更换为抓捕手爪，利用机械臂对目标进行直接捕获。

2.根据权利要求1所述的基于永磁涡流效应的空间翻滚目标消旋控制方法，其特征在于，所述步骤二中永磁涡流制动装置的初始消旋位置必须位于目标角动量矢量H方向，否则偏离角动量矢量方向则无法实现步骤三中的章动角衰减。

3.根据权利要求1所述的基于永磁涡流效应的空间翻滚目标消旋控制方法，其特征在于，所述步骤三中永磁涡流制动装置进行章动角衰减时，作用力矩T₁需满足

$\begin{array}{c}{T}_1=r\×F\\ ={\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\ω}}_z-{\mathrm{\λ}}_{2}H\\ ={\mathrm{\λ}}_1\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ {\mathrm{\ω}}_z\end{array}\right]-{\mathrm{\λ}}_2\left[\begin{array}{c}{I}_x{\mathrm{\ω}}_x\\ I_y{\mathrm{\ω}}_y\\ I_z{\mathrm{\ω}}_z\end{array}\right]\end{array}$

其中，r为外力作用点在本体系中的位置矢量，F为目标所受电磁力，ω_z为角速度矢量在自旋轴Z_b方向的分量，λ₁,λ₂为与电磁力幅值有关的常数，I_x，I_y，I_z为三轴转动惯量分量，ω_x，ω_y，ω_z为三轴角速度分量。

4.根据权利要求1所述的基于永磁涡流效应的空间翻滚目标消旋控制方法，其特征在于，所述步骤四中，目标进行单轴衰减时，外力矩T₂需满足

T₂＝-λ₃H

λ₃为与电磁力幅值有关的常数，目标在外力矩T₂作用下角速度衰减满足

${\mathrm{\ω}}_z\left(t\right)=-\frac{T_2}{I_z}t+{\mathrm{\ω}}_{z0}$

其中ω_z0为单自旋衰减时，目标初始角速度。