CN109987258B - 一种空间机器人捕获非合作目标后的消旋方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间机器人捕获非合作目标后的消旋方法，包括：步骤1：建立空间机器人捕获非合作目标后的动力学方程；步骤2：建立空间非合作目标的动力学方程；步骤3：建立空间机器人捕获非合作目标之后的动力学模型；步骤4：采用PID控制方法在空间机器人机械臂关节处施加关节控制力矩，使空间机器人机械臂关节角速度为零，完成消旋。策略明确，控制方法简单，能在短时间内完成非合作目标的消旋，为之后的操作提供便利。在有关节制动器的情况下，整个过程不需要额外提供能量，节约能量。具有很强的鲁棒性，对非合作目标的运动状态没有要求，即使在消旋过程中受到干扰或者非合作目标产生对抗，依然可以完成消旋过程。

Description

一种空间机器人捕获非合作目标后的消旋方法

技术领域

本发明属于空间机器人领域，涉及一种空间机器人捕获非合作目标后的消旋方法。

背景技术

航天工业目前正处于飞速发展的阶段，每个月都会发射大量的航天器来进行空间实验或探索太空。而空间机器人的发展已经成为太空探索中的重要组成部分。其中，机器人的自动控制系统已经开始在轨道上的太空飞行任务中发挥关键作用，包括航天器的维修和燃料补充，空间大型结构的组装，空间资源的利用和帮助退役卫星离轨等。完全自主的空间机器人可以消除与人类宇航员的风险，降低成本，并进行更多精密的任务。近年来，各国发射卫星数量大大增加，也因此，太空中的故障失效卫星及太空垃圾也逐年增多。这使空间环境日益恶化，不仅危害太空中正常工作的航天器，也对太空中工作的宇航员产生了巨大的威胁。并且，这些失效的卫星及太空碎片有些可以回收，或者维修后可以继续使用，这样能减少卫星失效造成的损失，并且能保护轨道资源。目前世界各国都在大力发展在轨服务技术，这不仅能提高航天技术，还能提高国际声誉，经济、社会效益显著。

目前在轨服务的主要方式是采用宇航员实现，例如国际空间站维修，就是由航天员出舱实现的。据统计，目前有22名宇航员已经牺牲于相关的安全事故。而宇航员培训周期长，代价大，随着科学技术的进步，空间机器人成为代替宇航员的最好选择。经研究，目前太空中的失效卫星及空间碎片大都处于自旋状态，这就对空间机器人捕获非合作目标及消旋提出了要求。

目前现有空间机器人捕获合作目标的消旋策略及控制方法有很多。在针对空间机器人捕获非合作目标的稳定，K.Yoshida提出了一种基于动量守恒的零空间法，根据基座、基座与机械臂耦合、基座与飞轮耦合的角动量特性，使基座受到角动量为零。但是假设了飞轮要能吸收目标的角动量，这就对系统捕获目标做出了要求。SatokoAbiko提出了一种阻抗控制的方法，能在参数具有确定性时稳定目标。但这些方法都要求得到具体的被控系统动力学模型，这与实际情况有很大差距。在对非合作目标进行捕获时，动力学模型一定是不确定的。就算测出的非合作目标的质心，惯量参数等模型需要的参数，在实际中还会存在很多扰动，所以这些方法不适用非合作目标的捕获。为了应对系统不确定性，提出了实时调整控制器增益的自适应控制方法，但是其计算量会增大，运算时间增强，不满足实际中在线控制的需要。Ulrich等人提出改进的简单自适应控制理论的控制策略，有效的提高了计算效率。FarhadAghili提出了空间机器人捕获非合作目标后的协调运动方案，并设计了最优控制器对目标进行了消旋与稳定，但是最优控制的动态性能不是很好。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种空间机器人捕获非合作目标后的消旋方法，对非合作目标进行消旋稳定，顺应了我国大力发展航天事业，发展空间机器人在轨服务方面的大方向，对我国未来开展在轨服务等任务有较高的理论价值及意义。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种空间机器人捕获非合作目标后的消旋方法，包括以下步骤：

步骤1：建立空间机器人捕获非合作目标后的动力学方程；

步骤2：建立空间非合作目标的动力学方程；

步骤3：建立空间机器人捕获非合作目标之后的动力学模型；

步骤4：采用PID控制方法在空间机器人机械臂关节处施加关节控制力矩，使空间机器人机械臂关节角速度为零，完成消旋。

本发明进一步的改进在于：

步骤1的具体方法为：

根据拉格朗日力学建立空间单臂机器人的动力学模型，化简得到空间机器人的动力学方程：

其中：

和

分别为与基座和机械臂运动相关的非线性力，非线性力包括向心力与哥氏力；

为作用于基座的力与力矩；

为机械臂关节的驱动力矩；H_b是基座的惯量矩阵，H_bm是基座与机械臂的耦合惯量矩阵，H_m是机械臂的惯量矩阵；

是基座平动与转动状态的加速度，

为机械臂各关节转角的加速度；

空间机器人捕获非合作目标后机械臂末端会受到目标给予的外力，得到空间机器人捕获非合作目标后的动力学方程：

其中：

为机械臂末端受到的力与力矩；

令

其中

为基座的广义速度；将空间机器人捕获非合作目标后的动力学方程改写为：

其中：u为关节控制力矩，H_s为捕获后组合体系统的惯量矩阵，c_s为非线性项，J^T为机械臂的Jacobian矩阵。

步骤2中：

假设非合作目标为刚体，根据牛顿欧拉法建立非合作目标的动力学方程。

步骤2具体方法为：

根据牛顿第二定律与动量矩定理，建立刚体平动与转动两部分的动力学方程：

其中：m₀与I₀为目标航天器的质量与转动惯量，v₀与ω₀为目标速度与旋转角速度，F₀与M₀为目标所受外力与外力矩；

由于目标受力与机械臂末端执行器受力互为反作用力，得到矩阵形式的非合作目标的动力学方程：

其中：

为广义速度；

为广义质量矩阵；

为离心力与哥氏力；

其中，ρ为空间机器人与目标航天器接触点相对于目标航天器质心的位置矢量。

步骤3的具体方法为：

将目标动力学方程中的F_e表达式带入捕获后空间机器人系统的动力学方程，将空间机器人动力学方程式中的F_e消去，得到：

根据机械臂末端速度与目标航天器广义速度关系：

ν₀＝Aν_h

其中：ν_h为末端执行器广义速度，

对ν_h求导，得到空间机器人捕获非合作目标之后的动力学模型：

步骤4的具体方法为：

S1：空间机器人末端捕获非合作目标后，采用PID控制方法根据空间机器人机械臂的关节角速度和角加速度，计算空间机器人机械臂关节处所需的关节控制力矩；

S2：在空间机器人机械臂关节处施加关节控制力矩；

S3：检测空间机器人机械臂关节角速度是否为零；是，消旋结束；否，返回S1。

PID控制方法的PID控制律为：

其中：

为关节角加速度；u为关节控制力矩；

其中，q_d为期望关节角速度，q(t)为t时刻的关节角速度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

通过设计关节控制力矩，消除空间机器人与非合作目标之间的相对运动，完成对非合作目标的消旋与稳定；策略明确，控制方法简单，能在短时间内消除空间机器人与非合作目标的相对运动，完成非合作目标的消旋，为之后的操作提供了便利。同时，只需要提供关节阻尼力矩，整个过程是一种动量平均的过程。在有关节制动器的情况下，整个过程不需要额外提供能量，节约能量。通过仿真验证，可以表明本方法具有很强的鲁棒性，本方法对非合作目标的运动状态没有要求，即使在消旋过程中受到干扰或者非合作目标产生对抗，依然可以完成消旋过程。

附图说明

图1为本发明的空间机器人捕获非合作目标模型图；

图2为本发明的未加干扰时关节角变化图；

图3为本发明的未加干扰时关节角速度变化曲线图；

图4为本发明的未加干扰时基座线速度与角速度变化曲线图；

图5为本发明的未加干扰时末端力与力矩变化曲线图；

图6为本发明的未加干扰时目标线速度与角速度变化曲线图；

图7为本发明的未加干扰时目标角速度与空间机器人基座角速度变化曲线图；

图8为本发明的加入干扰时关节角变化曲线图；

图9为本发明的加入干扰时关节角速度变化曲线图；

图10为本发明的加入干扰时基座线速度与角速度变化曲线图；

图11为本发明的加入干扰时末端力与力矩变化曲线图；

图12为本发明的加入干扰时目标线速度与角速度变化曲线图；

图13为本发明的加入干扰时目标角速度与空间机器人基座角速度变化曲线图；

图14为本发明的空间机器人捕获非合作目标后的消旋方法流程图。

其中：1-系统质心。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明一种空间机器人捕获非合作目标后的消旋方法，包括以下步骤：

步骤1：建立空间机器人捕获非合作目标后的动力学方程；

步骤2：建立空间非合作目标的动力学方程；

步骤3：建立空间机器人捕获非合作目标之后的动力学模型；

步骤4：采用PID控制方法在空间机器人机械臂关节处施加关节控制力矩，使空间机器人机械臂关节角速度为零，完成消旋。

具体为：

步骤1：首先建立空间机器人捕获非合作目标后的动力学方程。

空间机器人一般模型，参见图1。根据拉格朗日力学建立空间单臂机器人的动力学模型，经过化简得到空间机器人的一般动力学方程：

其中：

分别为与基座和机械臂运动相关的非线性力，包括向心力与哥氏力；

为作用于基座的力与力矩；

为机械臂关节的驱动力矩；H_b是基座的惯量矩阵，H_bm是基座与机械臂的耦合惯量矩阵，H_m是机械臂的惯量矩阵；

是基座平动与转动状态的加速度，

为机械臂各关节转角的加速度。

考虑机械臂抓捕目标，所以机械臂末端还会受到目标给予的外力，所以将系统动力学方程改为：

其中：

为机械臂末端受到的力与力矩。

可将上式简写为：

其中，

其中

为基座的广义速度，u为我们需要控制的量，即关节控制力矩；H_s为捕获后组合体系统的惯量矩阵，c_s为非线性项，J^T为机械臂的Jacobian矩阵。

步骤2：建立空间非合作目标的动力学方程。

假设非合作目标为刚体，根据牛顿欧拉法建立目标航天器的动力学方程。刚体的运动可以分为平动与转动两部分，根据牛顿第二定律与动量矩定理，分别建立刚体的一般动力学方程为：

其中：m₀与I₀为目标航天器的质量与转动惯量，v₀与ω₀为目标速度与旋转角速度，F₀与M₀为目标所受外力与外力矩。目标所受外力与外力矩为机械臂末端执行器所给，所以目标受力与机械臂末端执行器受力互为反作用力。为方便起见，以矩阵形式将刚体的一般动力学方程写为一式：

其中：

为广义速度，

为广义质量矩阵，

为离心力与哥氏力。矩阵A可以写为：

其中：ρ为空间机器人与目标航天器接触点相对于目标航天器质心的位置矢量。

步骤3：建立空间机器人捕获目标之后的动力学模型。

将空间机器人动力学方程式与目标动力学方程式中的F_e消去，得：

此外，机械臂末端速度与目标航天器广义速度关系为：

ν₀＝Aν_h

ν_h为末端执行器广义速度，其可以表示为：

对上式进行求导，得空间机器人捕获目标之后的动力学模型：

步骤4：设计消旋策略与控制方法以实现目标消旋。

在基座靠近旋转的非合作目标，操作机械臂使机械臂末端与目标上的抓捕点达到相同的速度，并抓紧目标，即空间机器人末端与抓捕点之间没有相对运动，随后消旋开始。

消旋策略是通过对关节施加阻抗，使关节制动，以此来控制关节角速度趋近于零，最终达到关节角速度为零，即关节角保持不变。当关节角不变时，空间机器人机械臂锁死，空间机器人与目标成为一个整体，实现空间机器人与目标的相对稳定。在整个消旋过程中，空间机器人基座不提供力与力矩，只需在关节处施加阻抗力矩，即可完成空间机器人与目标相对运动的消除。在消旋过程中，因为没有施加外力，所以整个过程中系统能量不发生变化，而只是能量均衡的过程。参见图14，具体流程为：

S1：空间机器人末端捕获非合作目标后，采用PID控制方法根据空间机器人机械臂的关节角速度和角加速度，计算空间机器人机械臂关节处所需的关节控制力矩；

S2：在空间机器人机械臂关节处施加关节控制力矩；

S3：检测空间机器人机械臂关节角速度是否为零；是，消旋结束；否，返回S1。

在关节处施加阻抗时采用PID控制方法，PID的控制方法不需目标运动状态的信息，在消旋过程中具有很强的鲁棒性，其具体控制律如下：

PID控制律为：

其中：

为关节角加速度；u为关节控制力矩；

其中：q_d为期望关节角速度，q(t)为t时刻的关节角速度。

仿真实施例

在仿真时选取的空间机器人为6自由度机械臂，基座质量100kg，机械臂连杆质量10kg，所抓取非合作目标100kg。机械臂初始关节角为

机械臂初始关节角速度为

仿真时间为12秒。

仿真结果参见图2至图7。图2至图6分别给出了空间机器人捕获目标后关节角、关节角速度、基座速度、末端执行器所受力与力矩、目标相对速度的变化曲线。从图7中可看出基角速度与目标角速度趋于一致，可证明消旋完成。随后，在2-2.5秒内加入干扰，即目标会抵抗的朝另一个方向转动。仿真结果参见图8至图13所示。图8至图12分别给出了存在干扰情形空间机器人捕获目标后关节角、关节角速度、基座速度、末端执行器所受力与力矩、目标相对速度的变化曲线。从图13中可看出在加入干扰后，基角速度与目标角速度仍然可以趋于一致，可证明消旋完成。从两项实例仿真中可以看出，基座速度与目标速度都达到一致，保持不变。关节角速度趋近于零，关节逐渐锁定。末端力趋近于零，空间机器人与目标整个系统之间无内力作用，空间机器人与目标运动状态一致，消旋完成。整个仿真结果验证此技术是可行的。整个过程是刚开始末端与抓捕点相对速度为零，末端抓住目标，随后开始消旋，关节角速度逐渐稳定，末端力逐渐减小到零，基座与目标相对速度最终达到零，消旋完成。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种空间机器人捕获非合作目标后的消旋方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：建立空间机器人捕获非合作目标后的动力学方程；

步骤2：建立空间非合作目标的动力学方程；

步骤3：建立空间机器人捕获非合作目标之后的动力学模型；

步骤4：采用PID控制方法在空间机器人机械臂关节处施加关节控制力矩，使空间机器人机械臂关节角速度为零，完成消旋；

所述步骤1的具体方法为：

根据拉格朗日力学建立空间单臂机器人的动力学模型，化简得到空间机器人的动力学方程：

其中：

和

分别为与基座和机械臂运动相关的非线性力，非线性力包括向心力与哥氏力；

为作用于基座的力与力矩；

为机械臂关节的驱动力矩；H_b是基座的惯量矩阵，H_bm是基座与机械臂的耦合惯量矩阵，H_m是机械臂的惯量矩阵；

是基座平动与转动状态的加速度，

为机械臂各关节转角的加速度；

空间机器人捕获非合作目标后机械臂末端会受到目标给予的外力，得到空间机器人捕获非合作目标后的动力学方程：

其中：

为机械臂末端受到的力与力矩；

令

其中

为基座的广义速度；将空间机器人捕获非合作目标后的动力学方程改写为：

其中：u为关节控制力矩，H_s为捕获后组合体系统的惯量矩阵，c_s为非线性项，J^T为机械臂的Jacobian矩阵；

所述步骤2中：

假设非合作目标为刚体，根据牛顿欧拉法建立非合作目标的动力学方程；

所述步骤2具体方法为：

根据牛顿第二定律与动量矩定理，建立刚体平动与转动两部分的动力学方程：

其中：m₀与I₀为目标航天器的质量与转动惯量，v₀与ω₀为目标速度与旋转角速度，F₀与M₀为目标所受外力与外力矩；

由于目标受力与机械臂末端执行器受力互为反作用力，得到矩阵形式的非合作目标的动力学方程：

其中：

为广义速度；

为广义质量矩阵；

为离心力与哥氏力；

其中，ρ为空间机器人与目标航天器接触点相对于目标航天器质心的位置矢量；

所述步骤3的具体方法为：

将目标动力学方程中的F_e表达式带入捕获后空间机器人系统的动力学方程，将空间机器人动力学方程式中的F_e消去，得到：

根据机械臂末端速度与目标航天器广义速度关系：

ν₀＝Aν_h

其中：ν_h为末端执行器广义速度，

对ν_h求导，得到空间机器人捕获非合作目标之后的动力学模型：

所述步骤4的具体方法为：

S1：空间机器人末端捕获非合作目标后，采用PID控制方法根据空间机器人机械臂的关节角速度和角加速度，计算空间机器人机械臂关节处所需的关节控制力矩；

S2：在空间机器人机械臂关节处施加关节控制力矩；

S3：检测空间机器人机械臂关节角速度是否为零；是，消旋结束；否，返回S1；

所述PID控制方法的PID控制律为：

其中：

为关节角加速度；u为关节控制力矩；

其中，q_d为期望关节角速度，q(t)为t时刻的关节角速度。

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