CN112389686B - 一种基于空间多臂接触的被动目标同步消旋抓捕操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于空间多臂接触的被动目标同步消旋抓捕操作方法，包括以下步骤：步骤1：服务航天器进入空间翻滚目标的轨道并跟随空间翻滚目标的轨道同步运动；步骤2：服务航天器获取空间翻滚目标的测量信息；步骤3：离线优化服务航天器的基座轨迹和机械臂的各关节轨迹及驱动力输入，形成接触消旋抓捕的轨迹，作为参考轨迹；步骤4：基于优化获得的参考轨迹，生成扩展的参考轨迹；步骤5：执行任务，对扩展的参考轨迹进行跟踪，实现对空间翻滚目标的接触消旋抓捕。本发明针对空间非合作翻滚目标，不需要目标上有任何抓捕点，并能够自行对目标进行消旋，且在消旋完成时同时实现对目标的抓捕和操作。

Description

一种基于空间多臂接触的被动目标同步消旋抓捕操作方法
技术领域
本发明属于空间抓捕技术领域，具体属于一种基于空间多臂接触的被动目标同步消旋抓捕操作方法。
背景技术
伴随着人类对空间资源的不断探索与利用，由故障失效卫星、各种爆炸以及碎片等各种原因造成的大量空间垃圾，使得空间资源逐步呈现出短缺的现状，同时对空间安全也造成了严重威胁。对失效航天器或轨道垃圾清理迫在眉睫，但由于空间垃圾的非合作性(例如，无专门的抓捕对接机构、无进行测量的合作标识块以及往往处于姿态失稳状态)使得抓捕极具挑战性。
现有抓捕方式主要有机械臂抓捕和飞网抓捕。其中，机械臂抓捕通常需要目标上具备抓捕对接点，而飞网抓捕无法对目标进行进一步的操作。同时，现有机械臂抓捕方法对目标自旋速度要求严格，通常需要提前进行消旋。而对目标进一步的操作需要在完成抓捕及组合体稳定后才可以实施。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于空间多臂接触的被动目标同步消旋抓捕操作方法，解决目前抓捕空间垃圾方法对抓捕点的依赖以及抓捕前需要提前对空间垃圾进行消旋的操作的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于空间多臂接触的被动目标同步消旋抓捕操作方法，包括以下步骤：
步骤1：服务航天器进入空间翻滚目标的轨道并跟随空间翻滚目标的轨道同步运动；
步骤2：服务航天器获取空间翻滚目标的测量信息；
步骤3：离线优化服务航天器的基座轨迹和机械臂的各关节轨迹及驱动力输入，形成接触消旋抓捕的轨迹，作为参考轨迹；
步骤4：基于优化获得的参考轨迹，生成扩展的参考轨迹；
步骤5：执行任务，对扩展的参考轨迹进行跟踪，实现对空间翻滚目标的接触消旋抓捕。
进一步的，所述测量信息包括空间翻滚目标的几何外形信息、惯性参数和旋转角速度。
进一步的，所述惯性参数和旋转角速度在步骤5中进行辨识。
进一步的，所述步骤3中离线优化服务航天器的基座轨迹和机械臂的各关节轨迹及驱动力输入通过如下条件实现：根据服务航天器的已知参数信息和空间翻滚目标的测量信息结合以服务航天器的当前状态、空间翻滚目标的当前状态为初值，以服务航天器、机械臂及空间翻滚目标的状态范围、驱动力范围及相互接触的作用时间及作用力大小作为过程约束，以服务航天器及机械臂的期望状态、空间翻滚目标的期望状态以及服务航天器机械臂终端与空间翻滚目标稳定接触的约束作为的终端约束。
进一步的，所述步骤3中采用互补约束描述碰撞。
进一步的，所述步骤3中离线优化服务航天器的基座和离线优化服务航天器的机械臂的各关节轨迹均采用时间步进直接法。
进一步的，所述步骤4中的参考轨迹为以计算所得碰撞时刻划分的若干分段组成的分段连续系统，分段间不连续，对每个分段进行正向扩展和逆向扩展获得碰撞系统在碰撞时刻前后的虚拟运动轨迹，作为扩展的参考轨迹。
进一步的，所述步骤5中根据服务航天器的状态量和空间翻滚目标的状态量跟踪扩展的参考轨迹的当前分段，检测到真实碰撞时跳变并跟踪到扩展的参考轨迹的下一分段。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明提供一种基于空间多臂接触的被动目标同步消旋抓捕操作方法，针对空间非合作翻滚目标，不需要目标上有任何抓捕点，并能够自行对目标进行消旋，且在消旋完成时同时实现对目标的抓捕和操作。
进一步的，针对碰撞系统在碰撞时刻前后控制系统容易发散，本发明通过扩展的参考轨迹解决解决了上述发散的问题，使得碰撞前后控制不易发散。
附图说明
图1本发明基于空间多臂接触的被动目标同步消旋抓捕操作任务示意图；
图2为本发明的扩展参考轨迹示意图；
附图中：1-服务航天器，2-机械臂，3-臂端胶垫，4-空间翻滚目标，5-目标期望位姿，6-服务航天器基座轨迹，7-参考轨迹，8-实际轨迹，9-参考轨迹的逆向扩展段，10-参考轨迹的正向扩展段，11-参考轨迹的跳变时刻，12-实际轨迹的跳变时刻。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明提供一种基于空间多臂接触的被动目标同步消旋抓捕操作方法，利用服务航天器1的多个接触点即机械臂终端如图1中的多条机械臂2的臂端胶垫3，对空间翻滚目标4进行反复碰撞，并最终滑动接触，依靠切向力实现消旋。在此过程中，空间翻滚目标4所受的外力使空间翻滚目标朝目标期望位置运动，并通过优化得到的轨迹即图1中服务航天器基座轨迹6，使目标在终端时刻的位姿达到预期的目标期望位姿5，且各个接触点施加在空间翻滚目标上的合力与它们产生的摩擦力满足摩擦约束，实现稳定接触与抓捕。具体而言，该系统即服务航天器通过机械臂的臂端胶垫3与空间翻滚目标4接触的系统是单边约束下的强非线性系统，轨迹优化建模为互补系统，通过直接法完成。跟踪控制建模为混合系统，通过扩展参考轨迹法完成；本发明具体步骤如下：
步骤1：服务航天器1向空间翻滚目标4接近，实现轨道运动同步，并调整姿态，如图1所示。
步骤2：目标信息的获取；由于空间翻滚目标4的非合作性，其信息通常是未知的，需要利用服务航天器上1的各种观测元件来获取空间翻滚目标4的测量信息，本发明中用到的测量信息包括空间翻滚目标的几何外形信息、惯性参数以及旋转角速度。而惯性参数和角速度可以留到控制过程即在步骤5中进行辨识。由于信息获取与辨识已有大量成熟方法，且不是本发明关注的方向，本发明只利用现有信息的结果。
步骤3，根据服务航天器1的已知参数信息和空间翻滚目标的测量信息结合以服务航天器1的当前状态、空间翻滚目标4的当前状态为初值，以服务航天器1、机械臂2及空间翻滚目标4的状态范围、驱动力范围及相互接触的作用时间及作用力大小作为过程约束，以服务航天器1及机械臂2的期望状态、空间翻滚目标4的期望状态以及服务航天器机械臂终端与空间翻滚目标稳定接触的约束作为的终端约束，离线优化服务航天器基座轨迹6和机械臂2的各关节轨迹及驱动力输入，使得消旋结束后也同时实现对目标的抓捕和操作，形成接触消旋抓捕的轨迹，接触消旋的轨迹即为参考轨迹。其中空间翻滚目标的期望状态即为空间翻滚目标的位姿和位姿的速度；在本实施例中，本步骤基于互补约束描述碰撞，根据能量耗散最大原理确定接触力。优化方法采用时间步进直接法，通过现有求解器求解，将整个轨迹按照时间步长离散为若干个节点，具体而言，服务航天器的动力学方程如下：
Figure BDA0002795936770000041
式中：M为卫星或被动物体的质量矩阵；q为状态量中的位置，角度量；
Figure BDA0002795936770000042
为状态量中的速度，角速度量(q的一阶导数)，
Figure BDA0002795936770000043
为状态量中的加速度，角加速度量(q的二阶导数)，C为非线性项，τ为驱动力，J为雅可比矩阵，f为外部力，这里是指碰撞力。
典型的互补约束如下
find z
subjectto z≥0
g(z)≥0
z·g(z)＝0
也就是说，互补约束描述了两个互斥的约束z≥0and g(z)≥0。至少有一个约束为0，以满足z·g(z)＝0。互补约束可以紧凑的描述为0≤z⊥g(z)≥0。应用这种形式，碰撞可以描述为
0≤φn(q)⊥fn≥0
Figure BDA0002795936770000051
Figure BDA0002795936770000052
其中φn表示潜在接触点的法向距离，fn表示碰撞的法向力。ft表示碰撞的切向方向，这里将其分解在d个方向以方面计算。γ是辅助参数，
Figure BDA0002795936770000053
是切向速度。
直接法将轨迹离散为N个节点，同时优化整条轨迹的状态量和控制量，系统的动力学以约束描述。该方法不需要在优化过程中进行动力学正向模拟，避免了正向方法中出现的数值困难。其一般形式为
minimize
Figure BDA0002795936770000054
subjectto
Figure BDA0002795936770000055
fork＝1:N-1
Figure BDA0002795936770000056
fork＝1:N
uk∈U fork＝1:N-1
qk∈Q fork＝1:N
式中：Gf为末端目标函数；qN为末端状态量；h为时间步长；G为过程目标函数；qk为k时刻的状态；uk为k时刻的控制输入；λk为碰撞力；U为控制量的取值范围；Q为状态量的取值范围。
按照此形式，考虑碰撞的直接法的约束构造如下，对于第k+1个节点
Figure BDA0002795936770000061
Figure BDA0002795936770000062
0≤φn(qk+1)⊥fn,k+1≥0
Figure BDA0002795936770000063
Figure BDA0002795936770000064
所有状态量，控制量在所有节点的约束共同构成了优化问题的约束。求解该优化问题，可以得到服务航天器，空间翻滚目标在各个时间节点的状态量，控制量，碰撞力等。对状态量和控制量进行插值即可得到参考轨迹和参考控制输入。但是稀疏的，可以利用现有求解器求解。
步骤4，针对生成的参考轨迹，对其每一段进行正逆向扩展，生成扩展的参考轨迹。如图2所示，实际轨迹8和参考轨迹7存在偏差，由于碰撞系统是典型的不连续系统，在轨迹跟踪问题中，我们将其描述为混合系统。混合系统由参考轨迹7和连接各参考轨迹的参考轨迹的跳变时刻11构成，如图2所示，对于碰撞系统，碰撞时刻即是跳变时刻。通常情况下，由于误差，参考轨迹的跳变时刻11与实际轨迹的跳变时刻12不一致，在跳变时刻前后控制系统容易发散。为了解决这个问题，我们引入扩展的参考轨迹。对于每一段连续段，进行正逆向扩展即图2中的参考轨迹的正向扩展段10和参考轨迹的逆向扩展段9，如图2所示。在跟踪时，只有真实跳变发生后，扩展的参考轨迹才进行切换。
步骤5，对扩展参考轨迹进行跟踪，实现对目标的接触消旋抓捕操作。
在离线计算得扩展轨迹后，即可依照一般的跟踪控制方法完成跟踪控制：
Figure BDA0002795936770000065

Claims (6)

1.一种基于空间多臂接触的被动目标同步消旋抓捕操作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：服务航天器(1)进入空间翻滚目标(4)的轨道并跟随空间翻滚目标(4)的轨道同步运动；
步骤2：服务航天器(1)获取空间翻滚目标(4)的测量信息；
步骤3：离线优化服务航天器的基座轨迹和机械臂(2)的各关节轨迹及驱动力输入，形成接触消旋抓捕的轨迹，作为参考轨迹；
步骤3中离线优化服务航天器(1)的基座轨迹和机械臂(2)的各关节轨迹及驱动力输入通过如下条件实现：
根据服务航天器(1)的已知参数信息和空间翻滚目标(4)的测量信息结合以服务航天器(1)的当前状态、空间翻滚目标(4)的当前状态为初值，以服务航天器(1)、机械臂(2)及空间翻滚目标(4)的状态范围、驱动力范围及相互接触的作用时间及作用力大小作为过程约束，以服务航天器(1)及机械臂(2)的期望状态、空间翻滚目标(4)的期望状态以及服务航天器机械臂终端与空间翻滚目标稳定接触的约束作为的终端约束；
步骤4：基于优化获得的参考轨迹，生成扩展的参考轨迹；
所述步骤4中的参考轨迹为以计算所得碰撞时刻划分的若干分段组成的分段连续系统，分段间不连续，对每个分段进行正向扩展和逆向扩展获得碰撞系统在碰撞时刻前后的虚拟运动轨迹，作为扩展的参考轨迹；
步骤5：执行任务，对扩展的参考轨迹进行跟踪，实现对空间翻滚目标的接触消旋抓捕。
2.根据权利要求1所述的一种基于空间多臂接触的被动目标同步消旋抓捕操作方法，其特征在于，所述测量信息包括空间翻滚目标(4)的几何外形信息、惯性参数和旋转角速度。
3.根据权利要求2所述的一种基于空间多臂接触的被动目标同步消旋抓捕操作方法，其特征在于，所述惯性参数和旋转角速度在步骤5中进行辨识。
4.根据权利要求1所述的一种基于空间多臂接触的被动目标同步消旋抓捕操作方法，其特征在于，所述步骤3中采用互补约束描述碰撞。
5.根据权利要求1所述的一种基于空间多臂接触的被动目标同步消旋抓捕操作方法，其特征在于，所述步骤3中离线优化服务航天器的基座轨迹和离线优化服务航天器的机械臂的各关节轨迹均采用时间步进直接法。
6.根据权利要求1所述的一种基于空间多臂接触的被动目标同步消旋抓捕操作方法，其特征在于，所述步骤5中根据服务航天器(1)的状态量和空间翻滚目标的状态量跟踪扩展的参考轨迹的当前分段，检测到真实碰撞时跳变并跟踪到扩展的参考轨迹的下一分段。
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