CN115993774B - 空间机器人控制器设计方法、装置、电子设备及存储介质 - Google Patents

空间机器人控制器设计方法、装置、电子设备及存储介质 Download PDF

Info

Publication number
CN115993774B
CN115993774B CN202310291048.1A CN202310291048A CN115993774B CN 115993774 B CN115993774 B CN 115993774B CN 202310291048 A CN202310291048 A CN 202310291048A CN 115993774 B CN115993774 B CN 115993774B
Authority
CN
China
Prior art keywords
representing
function
axis
value
angular velocity
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202310291048.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN115993774A (zh
Inventor
黄秀韦
刘振
杨鹏
王豪
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to CN202310291048.1A priority Critical patent/CN115993774B/zh
Publication of CN115993774A publication Critical patent/CN115993774A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN115993774B publication Critical patent/CN115993774B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P90/00—Enabling technologies with a potential contribution to greenhouse gas [GHG] emissions mitigation
    • Y02P90/02—Total factory control, e.g. smart factories, flexible manufacturing systems [FMS] or integrated manufacturing systems [IMS]

Landscapes

  • Feedback Control In General (AREA)

Abstract

本申请涉及空间机器人控制技术领域，提供了一种空间机器人控制器设计方法、装置、电子设备及存储介质，方法包括：针对空间机器人跟踪误差动力学和运动学方程，考虑执行器故障，给出本申请研究的对象，同时设定控制目标；引入调节函数、递减函数和界函数，设计一个无估计容错控制器，实现控制目标。本发明具有计算简洁和具备全局稳定性的有益效果。

Description

空间机器人控制器设计方法、装置、电子设备及存储介质
技术领域
本申请涉及空间机器人控制技术领域，具体而言，涉及一种空间机器人控制器设计方法、装置、电子设备及存储介质。
背景技术
在对地观测、卫星监视、航天器机动、航天器编队飞行、航天器近地作业和在轨服务等空间任务中，空间机器人的姿态跟踪控制是十分重要的过程。随着越来越多的航天器发射升空，失败的航天器数量也在增加。特别地，在轨服务中，空间碎片清除是一项迫切而艰巨的任务，是维护空间安全必须解决的问题。为了有效捕获空间碎片，在最后阶段准确跟踪目标的姿态轨迹是至关重要的。与其他航天器不同的是，几乎所有的空间碎片都是非合作和自由翻滚的，它们的位置和姿态无法预先测量。因此，在控制器设计中不能使用目标轨迹的速度和角速度信息，这将给捕获空间碎片带来很大的困难。
因此，空间机器人的跟踪性能十分重要，特别地，如何在约定时间内收敛到预设的界内，以使空间机器人和空间碎片保持相对静止和姿态同步，对于有效捕获翻滚目标十分必要。
基于上述问题，目前尚未有有效的解决方法。
发明内容
本申请的目的在于提供一种空间机器人控制器设计方法、装置、电子设备及存储介质，能够令姿态跟踪误差在给定的时间内按预设的界收敛到零，以使空间机器人和空间碎片保持相对静止和姿态同步。
第一方面，本申请提供了一种空间机器人控制器设计方法，其中，包括以下步骤：
S1.根据第一预设时间段建立调节函数；
S2.获取空间机器人的姿态跟踪误差，根据所述调节函数和所述姿态跟踪误差计算转换姿态跟踪误差；
S3.预设第一精度值，根据所述第一精度值和所述第一预设时间段建立递减函数；
S4.获取空间机器人的运动学姿态，根据所述转换姿态跟踪误差、所述递减函数和所述运动学姿态计算虚拟控制率；
S5.获取角速度误差，根据所述角速度误差、所述虚拟控制率和所述调节函数计算虚拟角速度误差；
S6.预设界函数，根据所述虚拟角速度误差和所述界函数设计控制器函数。
本申请的空间机器人控制器设计方法，通过根据第一预设时间段建立调节函数；获取空间机器人的姿态跟踪误差，根据调节函数和姿态跟踪误差计算转换姿态跟踪误差；预设第一精度值，根据所述第一精度值和第一预设时间段建立递减函数；获取空间机器人的运动学姿态，根据转换姿态跟踪误差、递减函数和运动学姿态计算虚拟控制率；获取角速度误差，根据角速度误差、虚拟控制率和调节函数计算虚拟角速度误差；预设界函数，根据虚拟角速度误差和界函数设计控制器函数。本方案相比于传统的空间机器人姿态跟踪控制方法，具有以下优势：本方案不采用任何估计算法和自适应控制算法，简化了控制器形式同时也降低了计算复杂度，并且能够在执行器故障的情形下令姿态跟踪误差在给定的时间内按预设的界收敛到零，以使空间机器人和空间碎片保持相对静止和姿态同步。
可选地，本申请提供的空间机器人控制器设计方法，步骤S1的所述调节函数为：
Figure SMS_1
；
其中，
Figure SMS_2
表示所述调节函数；/>
Figure SMS_3
表示第一预设时间段内的任意一个时间节点；/>
Figure SMS_4
为时间变量。
通过该调节函数，可以对转换姿态跟踪误差进行定义。
可选地，本申请提供的空间机器人控制器设计方法，步骤S2的计算公式如下：
Figure SMS_5
；
Figure SMS_6
；
其中，
Figure SMS_7
表示所述转换姿态跟踪误差；/>
Figure SMS_8
表示所述姿态跟踪误差；/>
Figure SMS_9
包括x轴，y轴和z轴三个轴向的转换姿态跟踪误差值，分别为/>
Figure SMS_10
，对应地，/>
Figure SMS_11
包括三个轴向的姿态跟踪误差值。
可选地，本申请提供的空间机器人控制器设计方法，步骤S3的所述递减函数为：
Figure SMS_12
；
其中，
Figure SMS_15
表示各个轴向的编号，/>
Figure SMS_16
为1时，对应的是x轴；/>
Figure SMS_19
为2时，对应的是y轴；/>
Figure SMS_14
为3时，对应的是z轴；/>
Figure SMS_17
表示各个轴向的递减函数；/>
Figure SMS_20
表示各个轴向的递减函数的初值；
Figure SMS_21
表示各个轴向的第一精度值；/>
Figure SMS_13
表示各个轴向的第一预设时间段；/>
Figure SMS_18
为时间变量。
通过这种方式，可以获得递减函数。
可选地，本申请提供的空间机器人控制器设计方法，步骤S4的计算公式如下：
Figure SMS_22
；
Figure SMS_23
；
Figure SMS_24
；
Figure SMS_25
；
其中，
Figure SMS_26
表示各个轴向的转换姿态跟踪误差；/>
Figure SMS_27
表示各个轴向的第一中间变量；/>
Figure SMS_28
表示各个轴向的第一常数控制增益；/>
Figure SMS_29
表示所述虚拟控制率；/>
Figure SMS_30
表示第二中间变量；/>
Figure SMS_31
为所述运动学姿态的反函数。
通过这种方式，可以计算出虚拟控制率。
可选地，本申请提供的空间机器人控制器设计方法，步骤S5的计算公式如下：
Figure SMS_32
；
其中，
Figure SMS_33
表示所述虚拟角速度误差；/>
Figure SMS_34
表示所述角速度误差；/>
Figure SMS_35
表示所述虚拟控制率。
可选地，本申请提供的空间机器人控制器设计方法，步骤S6的所述控制器函数为：
Figure SMS_36
；
Figure SMS_37
；
Figure SMS_38
；
Figure SMS_39
=/>
Figure SMS_40
；
Figure SMS_41
；
Figure SMS_42
；
Figure SMS_43
；
其中，
Figure SMS_46
表示各个轴向的编号，/>
Figure SMS_49
为1时，对应的是x轴；/>
Figure SMS_53
为2时，对应的是y轴；/>
Figure SMS_44
为3时，对应的是z轴；/>
Figure SMS_50
表示第二常数控制增益；/>
Figure SMS_54
表示第三中间变量；/>
Figure SMS_57
表示各个轴向的第三中间变量；/>
Figure SMS_45
表示各个轴向的界函数；/>
Figure SMS_51
表示第四中间变量；/>
Figure SMS_55
表示各个轴向的第四中间变量；/>
Figure SMS_58
表示所述控制器函数；/>
Figure SMS_47
表示各个轴向的虚拟角速度误差；/>
Figure SMS_48
表示各个轴向的界函数的初值；/>
Figure SMS_52
表示各个轴向的界函数的稳定值；/>
Figure SMS_56
表示各个轴向的界函数的稳定时间。
本申请提供的空间机器人控制器设计方法，通过根据第一预设时间段建立调节函数；获取空间机器人的姿态跟踪误差，根据调节函数和姿态跟踪误差计算转换姿态跟踪误差；预设第一精度值，根据所述第一精度值和第一预设时间段建立递减函数；获取空间机器人的运动学姿态，根据转换姿态跟踪误差、递减函数和运动学姿态计算虚拟控制率；获取角速度误差，根据角速度误差、虚拟控制率和调节函数计算虚拟角速度误差；预设界函数，根据虚拟角速度误差和界函数设计控制器函数。本方案相比于传统的空间机器人姿态跟踪控制方法，具有以下优势：本方案不采用任何估计算法和自适应控制算法，简化了控制器形式同时也降低了计算复杂度，并且能够在执行器故障的情形下令姿态跟踪误差在给定的时间内按预设的界收敛到零，以使空间机器人和空间碎片保持相对静止和姿态同步。
第二方面，本申请提供了一种空间机器人控制器设计装置，其中，包括以下模块：
第一建立模块：用于根据第一预设时间段建立调节函数；
第一获取模块：用于获取空间机器人的姿态跟踪误差，根据所述调节函数和所述姿态跟踪误差计算转换姿态跟踪误差；
第二建立模块：用于预设第一精度值，根据所述第一精度值和所述第一预设时间段建立递减函数；
第二获取模块：用于获取空间机器人的运动学姿态，根据所述转换姿态误差、所述递减函数和所述运动学姿态计算虚拟控制率；
第三获取模块：用于获取角速度误差，根据所述角速度误差、所述虚拟控制率和所述调节函数计算虚拟角速度误差；
设计模块：用于预设界函数，根据所述虚拟角速度误差和所述界函数设计控制器函数。
本申请提供的空间机器人控制器设计装置，通过第一建立模块根据第一预设时间段建立调节函数；第一获取模块获取空间机器人的姿态跟踪误差，根据调节函数和姿态跟踪误差计算转换姿态跟踪误差；第二建立模块预设第一精度值，根据所述第一精度值和第一预设时间段建立递减函数；第二获取模块获取空间机器人的运动学姿态，根据转换姿态误差、递减函数和运动学姿态计算虚拟控制率；第三获取模块获取角速度误差，根据角速度误差、虚拟控制率和调节函数计算虚拟角速度误差；设计模块预设界函数，根据虚拟角速度误差和界函数设计控制器函数。本装置简化了控制器形式同时也降低了计算复杂度，并且能够在执行器故障的情形下令姿态跟踪误差在给定的时间内按预设的界收敛到零，以使空间机器人和空间碎片保持相对静止和姿态同步。
第三方面，本申请提供一种电子设备，包括处理器以及存储器，所述存储器存储有计算机可读取指令，当所述计算机可读取指令由所述处理器执行时，运行如上述第一方面提供的所述方法中的步骤。
第四方面，本申请提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时运行如上述第一方面提供的所述方法中的步骤。
综上，本申请的空间机器人控制器设计方法、装置、电子设备及存储介质，简化了控制器形式同时也降低了计算复杂度，并且能够在执行器故障的情形下令姿态跟踪误差在给定的时间内按预设的界收敛到零，以使空间机器人和空间碎片保持相对静止和姿态同步。
附图说明
图1为本申请提供的空间机器人控制器设计方法的一种流程图。
图2为本申请提供的空间机器人控制器设计装置的一种结构图。
图3为本申请提供的电子设备的结构示意图。
图4为本申请提供的一种姿态跟踪误差的一种轨迹图。
图5为本申请提供的一种姿态跟踪误差的一种轨迹图。
图6为本申请提供的一种姿态跟踪误差的一种轨迹图。
图7为图4中a区域的放大图。
图8为图5中b区域的放大图。
图9为图6中c区域的放大图。
标号说明：
201、第一建立模块；202、第一获取模块；203、第二建立模块；204、第二获取模块；205、第三获取模块；206、设计模块；301、处理器；302、存储器；303、通信总线。
具体实施方式
下面将结合本申请实施方式中附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施方式。基于本申请的实施方式，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
请参照图1，图1是本申请一些实施方式中的空间机器人控制器设计方法的流程图，其中，包括以下步骤：
S1.根据第一预设时间段建立调节函数；
S2.获取空间机器人的姿态跟踪误差，根据调节函数和姿态跟踪误差计算转换姿态跟踪误差；
S3.预设第一精度值，根据第一精度值和第一预设时间段建立递减函数；
S4.获取空间机器人的运动学姿态，根据转换姿态误差、递减函数和运动学姿态计算虚拟控制率；
S5.获取角速度误差，根据角速度误差、虚拟控制率和调节函数计算虚拟角速度误差；
S6.预设界函数，根据虚拟角速度误差和界函数设计控制器函数。
本申请的空间机器人控制器设计方法，通过根据第一预设时间段建立调节函数；获取空间机器人的姿态跟踪误差，根据调节函数和姿态跟踪误差计算转换姿态跟踪误差；预设第一精度值，根据第一精度值和第一预设时间段建立递减函数；获取空间机器人的运动学姿态，根据转换姿态误差、递减函数和运动学姿态计算虚拟控制率；获取角速度误差，根据角速度误差、虚拟控制率和调节函数计算虚拟角速度误差；预设界函数，根据虚拟角速度误差和界函数设计控制器函数。本方案相比于传统的空间机器人姿态跟踪控制方法，具有以下优势：本方案不采用任何估计算法和自适应控制算法，简化了控制器形式同时也降低了计算复杂度，并且能够在执行器故障的情形下令姿态跟踪误差在给定的时间内按预设的界收敛到零，以使空间机器人和空间碎片保持相对静止和姿态同步。
步骤S1中的第一预设时间段可以根据需要进行设置。
因此，在进一步的实施方式中，步骤S1的调节函数为：
Figure SMS_59
；
其中，
Figure SMS_60
表示调节函数；/>
Figure SMS_61
表示第一预设时间段内的任意一个时间节点；/>
Figure SMS_62
为时间变量。
通过该调节函数，可以对转换姿态跟踪误差进行定义。
因此，在进一步的实施方式中，步骤S2的计算公式如下：
Figure SMS_63
；/>
Figure SMS_64
；
其中，
Figure SMS_65
表示转换姿态跟踪误差；/>
Figure SMS_66
表示姿态跟踪误差；/>
Figure SMS_67
包括x轴，y轴和z轴三个轴向的转换姿态跟踪误差值，分别为/>
Figure SMS_68
，对应地，/>
Figure SMS_69
包括三个轴向的姿态跟踪误差值。
在实际应用中，姿态跟踪误差的获取方式为现有技术，可根据本体空间机器人姿态和目标空间机器人姿态、跟踪误差动力学进行计算。
步骤S3中，第一精度值可以根据需要进行设置，步骤S3的递减函数为：
Figure SMS_70
；
其中，
Figure SMS_73
表示各个轴向的编号，/>
Figure SMS_74
为1时，对应的是x轴；/>
Figure SMS_77
为2时，对应的是y轴；/>
Figure SMS_71
为3时，对应的是z轴；/>
Figure SMS_75
表示各个轴向的递减函数；/>
Figure SMS_78
表示各个轴向的递减函数的初值，可通过预设获取；/>
Figure SMS_79
表示各个轴向的第一精度值，可通过预设获取；/>
Figure SMS_72
表示各个轴向的第一预设时间段；/>
Figure SMS_76
为时间变量。
步骤S4中，运动学姿态的获取方式为现有技术。
在进一步的实施方式中，步骤S4的计算公式如下：
Figure SMS_80
；
Figure SMS_81
；
Figure SMS_82
；
Figure SMS_83
其中，/>
Figure SMS_84
表示各个轴向的转换姿态跟踪误差；/>
Figure SMS_85
表示各个轴向的第一中间变量；/>
Figure SMS_86
表示各个轴向的第一常数控制增益，可预设获取；/>
Figure SMS_87
表示虚拟控制率；/>
Figure SMS_88
表示第二中间变量；/>
Figure SMS_89
为运动学姿态的反函数。第一中间变量和第二中间变量通过代入相应的值就能获取。
步骤S5中，角速度误差的获取方式为现有技术。
在进一步的实施方式中，步骤S5的计算公式如下：
Figure SMS_90
；
其中，
Figure SMS_91
表示虚拟角速度误差；/>
Figure SMS_92
表示角速度误差；/>
Figure SMS_93
表示虚拟控制率。
在进一步的实施方式中，步骤S6的控制器函数为：
Figure SMS_94
；
Figure SMS_95
；
Figure SMS_96
；
Figure SMS_97
=/>
Figure SMS_98
；
Figure SMS_99
；/>
Figure SMS_100
；
Figure SMS_101
；
其中，
Figure SMS_104
表示第二常数控制增益，可预设获取；/>
Figure SMS_105
表示第三中间变量；/>
Figure SMS_108
表示各个轴向的第三中间变量；/>
Figure SMS_102
表示各个轴向的界函数；/>
Figure SMS_106
表示第四中间变量；/>
Figure SMS_109
表示各个轴向的第四中间变量；/>
Figure SMS_111
表示控制器函数；/>
Figure SMS_103
表示各个轴向的虚拟角速度误差；/>
Figure SMS_107
表示各个轴向的界函数的初值；/>
Figure SMS_110
表示各个轴向的界函数的稳定值；/>
Figure SMS_112
表示各个轴向的界函数的稳定时间。第三中间变量和第四中间变量通过代入相应的值就能获取。
通过这种计算方式，可以获得控制器函数。
实施例1
递减函数相关参数的取值为：
Figure SMS_113
；
Figure SMS_114
；
Figure SMS_115
；
Figure SMS_116
界函数的参数取值为：
Figure SMS_117
；
Figure SMS_118
；
Figure SMS_119
；
控制器函数参数值取为：
Figure SMS_120
；
Figure SMS_121
；
为了研究所提方法的全局稳定性，设定跟踪轨迹的初值：
Figure SMS_122
；
Figure SMS_123
；
其中，
Figure SMS_124
表示目标空间机器人姿态的初值；/>
Figure SMS_125
表示目标空间机器人角速度的初值。
同时考虑如下三组初值：
情形1：
Figure SMS_126
，/>
Figure SMS_127
；
情形2：
Figure SMS_128
，/>
Figure SMS_129
；
情形3：
Figure SMS_130
，/>
Figure SMS_131
；
其中，
Figure SMS_132
表示本体空间机器人姿态的初值；/>
Figure SMS_133
表示本体空间机器人角速度的初值。
可以得到如图4-图9所示的结果图，图中情形1对应的曲线是输入情形1的姿态跟踪误差
Figure SMS_134
的轨迹；情形2对应的曲线是输入情形2的姿态跟踪误差/>
Figure SMS_135
的轨迹；情形3对应的曲线是输入情形3的姿态跟踪误差/>
Figure SMS_136
的轨迹；界函数对应的两条曲线分别是预设的界函数。图4-图9中，横坐标代表时间参数，纵坐标代表姿态跟踪误差值。可以看出，最终姿态跟踪误差都在给定的时间内按预设的界函数收敛到零。
由上可知，本申请的空间机器人控制器设计方法，通过根据第一预设时间段建立调节函数；获取空间机器人的姿态跟踪误差，根据调节函数和姿态跟踪误差计算转换姿态跟踪误差；预设第一精度值，根据第一精度值和第一预设时间段建立递减函数；获取空间机器人的运动学姿态，根据转换姿态误差、递减函数和运动学姿态计算虚拟控制率；获取角速度误差，根据角速度误差、虚拟控制率和调节函数计算虚拟角速度误差；预设界函数，根据虚拟角速度误差和界函数设计控制器函数。本方案相比于传统的空间机器人姿态跟踪控制方法，具有以下优势：本方案不采用任何估计算法和自适应控制算法，简化了控制器形式同时也降低了计算复杂度，并且能够在执行器故障的情形下令姿态跟踪误差在给定的时间内按预设的界收敛到零，以使空间机器人和空间碎片保持相对静止和姿态同步。
请参阅图2，图2是本申请一些实施方式中的空间机器人控制器设计装置的结构图，其中，包括以下模块：
第一建立模块201：用于根据第一预设时间段建立调节函数；
第一获取模块202：用于获取空间机器人的姿态跟踪误差，根据调节函数和姿态跟踪误差计算转换姿态跟踪误差；
第二建立模块203：用于预设第一精度值，根据第一精度值和第一预设时间段建立递减函数；
第二获取模块204：用于获取空间机器人的运动学姿态，根据转换姿态误差、递减函数和运动学姿态计算虚拟控制率；
第三获取模块205：用于获取角速度误差，根据角速度误差、虚拟控制率和调节函数计算虚拟角速度误差；
设计模块206：用于预设界函数，根据虚拟角速度误差和界函数设计控制器函数。
第一建立模块201中的第一预设时间段可以根据需要进行设置。
因此，在进一步的实施方式中，第一建立模块201的调节函数为：
Figure SMS_137
其中，
Figure SMS_138
表示调节函数；/>
Figure SMS_139
表示第一预设时间段内的任意一个时间节点；/>
Figure SMS_140
为时间变量。
通过该调节函数，可以对转换姿态跟踪误差进行定义。
因此，在进一步的实施方式中，第一获取模块202根据以下公式计算转换姿态跟踪误差：
Figure SMS_141
；
Figure SMS_142
；
其中，
Figure SMS_143
表示转换姿态跟踪误差；/>
Figure SMS_144
表示姿态跟踪误差；/>
Figure SMS_145
包括x轴，y轴和z轴三个轴向的转换姿态跟踪误差值，分别为/>
Figure SMS_146
，对应地，/>
Figure SMS_147
包括三个轴向的姿态跟踪误差值。
在实际应用中，姿态跟踪误差的获取方式为现有技术，可根据本体空间机器人姿态和目标空间机器人姿态进行计算。
第二建立模块203中，第一精度值可以根据需要进行设置，第二建立模块203的递减函数为：
Figure SMS_148
；
其中，
Figure SMS_150
表示各个轴向的编号，/>
Figure SMS_153
为1时，对应的是x轴；/>
Figure SMS_155
为2时，对应的是y轴；/>
Figure SMS_151
为3时，对应的是z轴；/>
Figure SMS_154
表示各个轴向的递减函数；/>
Figure SMS_156
表示各个轴向的递减函数的初值，可通过预设获取；/>
Figure SMS_157
表示各个轴向的第一精度值，可通过预设获取；/>
Figure SMS_149
表示各个轴向的第一预设时间段；/>
Figure SMS_152
为时间变量。
第二获取模块204中，运动学姿态的获取方式为现有技术。
在进一步的实施方式中，第二获取模块204根据以下公式计算虚拟控制率：
Figure SMS_158
；
Figure SMS_159
；
Figure SMS_160
；
Figure SMS_161
；
其中，
Figure SMS_162
表示各个轴向的转换姿态跟踪误差；/>
Figure SMS_163
表示各个轴向的第一中间变量；/>
Figure SMS_164
表示各个轴向的第一常数控制增益，可预设获取；/>
Figure SMS_165
表示虚拟控制率；/>
Figure SMS_166
表示第二中间变量；/>
Figure SMS_167
为运动学姿态的反函数。第一中间变量和第二中间变量通过代入相应的值就能获取。
第三获取模块205中，角速度误差的获取方式为现有技术。
在进一步的实施方式中，第三获取模块205根据以下公式计算虚拟角速度误差：
Figure SMS_168
；
其中，
Figure SMS_169
表示虚拟角速度误差；/>
Figure SMS_170
表示角速度误差；/>
Figure SMS_171
表示虚拟控制率。
在进一步的实施方式中，设计模块206的控制器函数为：
Figure SMS_172
；
Figure SMS_173
；/>
Figure SMS_174
；
Figure SMS_175
=/>
Figure SMS_176
；
Figure SMS_177
；
Figure SMS_178
；
Figure SMS_179
；
其中，
Figure SMS_181
表示第二常数控制增益，可预设获取；/>
Figure SMS_184
表示第三中间变量；/>
Figure SMS_187
表示各个轴向的第三中间变量；/>
Figure SMS_182
表示各个轴向的界函数；/>
Figure SMS_185
表示第四中间变量；/>
Figure SMS_188
表示各个轴向的第四中间变量；/>
Figure SMS_190
表示控制器函数；/>
Figure SMS_180
表示各个轴向的虚拟角速度误差；/>
Figure SMS_183
表示各个轴向的界函数的初值；/>
Figure SMS_186
表示各个轴向的界函数的稳定值；/>
Figure SMS_189
表示各个轴向的界函数的稳定时间。第三中间变量和第四中间变量通过代入相应的值就能获取。
通过这种计算方式，可以获得控制器函数。
本申请提供的空间机器人控制器设计装置，通过第一建立模块201根据第一预设时间段建立调节函数；第一获取模块202获取空间机器人的姿态跟踪误差，根据调节函数和姿态跟踪误差计算转换姿态跟踪误差；第二建立模块203预设第一精度值，根据第一精度值和第一预设时间段建立递减函数；第二获取模块204获取空间机器人的运动学姿态，根据转换姿态误差、递减函数和运动学姿态计算虚拟控制率；第三获取模块205获取角速度误差，根据角速度误差、虚拟控制率和调节函数计算虚拟角速度误差；设计模块206预设界函数，根据虚拟角速度误差和界函数设计控制器函数。本装置简化了控制器形式同时也降低了计算复杂度，并且能够在执行器故障的情形下令姿态跟踪误差在给定的时间内按预设的界收敛到零，以使空间机器人和空间碎片保持相对静止和姿态同步。
请参阅图3，图3为本申请实施方式提供的一种电子设备的结构示意图，本申请提供一种电子设备，包括：处理器301和存储器302，处理器301和存储器302通过通信总线303和/或其他形式的连接机构（未标出）互连并相互通讯，存储器302存储有处理器301可执行的计算机可读取指令，当电子设备运行时，处理器301执行该计算机可读取指令，以在执行时执行上述实施方式的任一可选的实现方式中的方法，以实现以下功能：根据第一预设时间段建立调节函数；获取空间机器人的姿态跟踪误差，根据调节函数和姿态跟踪误差计算转换姿态跟踪误差；预设第一精度值，根据第一精度值和第一预设时间段建立递减函数；获取空间机器人的运动学姿态，根据转换姿态误差、递减函数和运动学姿态计算虚拟控制率；获取角速度误差，根据角速度误差、虚拟控制率和调节函数计算虚拟角速度误差；预设界函数，根据虚拟角速度误差和界函数设计控制器函数。
本申请实施方式提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，执行上述实施方式的任一可选的实现方式中的方法，以实现以下功能：根据第一预设时间段建立调节函数；获取空间机器人的姿态跟踪误差，根据调节函数和姿态跟踪误差计算转换姿态跟踪误差；预设第一精度值，根据第一精度值和第一预设时间段建立递减函数；获取空间机器人的运动学姿态，根据转换姿态误差、递减函数和运动学姿态计算虚拟控制率；获取角速度误差，根据角速度误差、虚拟控制率和调节函数计算虚拟角速度误差；预设界函数，根据虚拟角速度误差和界函数设计控制器函数。其中，存储介质可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随机存取存储器（Static Random Access Memory, 简称SRAM），电可擦除可编程只读存储器（ElectricallyErasable Programmable Read-Only Memory, 简称EEPROM），可擦除可编程只读存储器（Erasable Programmable Read Only Memory, 简称EPROM），可编程只读存储器（Programmable Red-Only Memory, 简称PROM），只读存储器（Read-Only Memory, 简称ROM），磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。
在本申请所提供的实施方式中，应该理解到，所揭露系统和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的系统实施方式仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，系统或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
另外，作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施方式方案的目的。
再者，在本申请各个实施方式中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上所述仅为本申请的实施方式而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种空间机器人控制器设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.根据第一预设时间段建立调节函数；
S2.获取空间机器人的姿态跟踪误差，根据所述调节函数和所述姿态跟踪误差计算转换姿态跟踪误差；
S3.预设第一精度值，根据所述第一精度值和所述第一预设时间段建立递减函数；
S4.获取空间机器人的运动学姿态，根据所述转换姿态跟踪误差、所述递减函数和所述运动学姿态计算虚拟控制率；
S5.获取角速度误差，根据所述角速度误差、所述虚拟控制率和所述调节函数计算虚拟角速度误差；
S6.预设界函数，根据所述虚拟角速度误差和所述界函数设计控制器函数；
步骤S1的所述调节函数为：
Figure QLYQS_1
；
其中，
Figure QLYQS_2
表示所述调节函数；/>
Figure QLYQS_3
表示第一预设时间段内的任意一个时间节点；/>
Figure QLYQS_4
为时间变量；
步骤S3的所述递减函数为：
Figure QLYQS_5
；
其中，
Figure QLYQS_7
表示各个轴向的编号，/>
Figure QLYQS_9
为1时，对应的是x轴；/>
Figure QLYQS_11
为2时，对应的是y轴；/>
Figure QLYQS_6
为3时，对应的是z轴；/>
Figure QLYQS_10
表示各个轴向的递减函数；/>
Figure QLYQS_12
表示各个轴向的递减函数的初值；/>
Figure QLYQS_13
表示各个轴向的第一精度值；/>
Figure QLYQS_8
表示各个轴向的第一预设时间段；
步骤S4的计算公式如下：
Figure QLYQS_14
；
Figure QLYQS_15
；
Figure QLYQS_16
；
Figure QLYQS_17
；
其中，
Figure QLYQS_18
表示各个轴向的转换姿态跟踪误差；/>
Figure QLYQS_19
表示各个轴向的第一中间变量；
Figure QLYQS_20
表示各个轴向的第一常数控制增益；/>
Figure QLYQS_21
表示所述虚拟控制率；/>
Figure QLYQS_22
表示第二中间变量；
Figure QLYQS_23
为所述运动学姿态的反函数；
步骤S5的计算公式如下：
Figure QLYQS_24
；
其中，
Figure QLYQS_25
表示所述虚拟角速度误差；/>
Figure QLYQS_26
表示所述角速度误差；/>
Figure QLYQS_27
表示所述虚拟控制率；
步骤S6的所述控制器函数为：
Figure QLYQS_28
；
Figure QLYQS_29
；
Figure QLYQS_30
；
Figure QLYQS_31
=/>
Figure QLYQS_32
；
Figure QLYQS_33
；
Figure QLYQS_34
；
Figure QLYQS_35
；
其中，
Figure QLYQS_39
表示各个轴向的编号，/>
Figure QLYQS_43
为1时，对应的是x轴；/>
Figure QLYQS_47
为2时，对应的是y轴；/>
Figure QLYQS_37
为3时，对应的是z轴；/>
Figure QLYQS_40
表示第二常数控制增益；/>
Figure QLYQS_44
表示第三中间变量；/>
Figure QLYQS_48
表示各个轴向的第三中间变量；/>
Figure QLYQS_36
表示各个轴向的界函数；/>
Figure QLYQS_42
表示第四中间变量；/>
Figure QLYQS_46
表示各个轴向的第四中间变量；/>
Figure QLYQS_50
表示所述控制器函数；/>
Figure QLYQS_38
表示各个轴向的虚拟角速度误差；/>
Figure QLYQS_41
表示各个轴向的界函数的初值；/>
Figure QLYQS_45
表示各个轴向的界函数的稳定值；/>
Figure QLYQS_49
表示各个轴向的界函数的稳定时间，其中，预设的所述界函数包括各个轴向的界函数的初值、稳定值和稳定时间。
2.根据权利要求1所述的空间机器人控制器设计方法，其特征在于，步骤S2的计算公式如下：
Figure QLYQS_51
；
Figure QLYQS_52
；
其中，
Figure QLYQS_53
表示所述转换姿态跟踪误差；/>
Figure QLYQS_54
表示所述姿态跟踪误差；/>
Figure QLYQS_55
包括x轴，y轴和z轴三个轴向的转换姿态跟踪误差值，分别为/>
Figure QLYQS_56
，对应地，/>
Figure QLYQS_57
包括三个轴向的姿态跟踪误差值。
3.一种空间机器人控制器设计装置，其特征在于，包括以下模块：
第一建立模块：用于根据第一预设时间段建立调节函数；
第一获取模块：用于获取空间机器人的姿态跟踪误差，根据所述调节函数和所述姿态跟踪误差计算转换姿态跟踪误差；
第二建立模块：用于预设第一精度值，根据所述第一精度值和所述第一预设时间段建立递减函数；
第二获取模块：用于获取空间机器人的运动学姿态，根据所述转换姿态跟踪误差、所述递减函数和所述运动学姿态计算虚拟控制率；
第三获取模块：用于获取角速度误差，根据所述角速度误差、所述虚拟控制率和所述调节函数计算虚拟角速度误差；
设计模块：用于预设界函数，根据所述虚拟角速度误差和所述界函数设计控制器函数；
所述第一建立模块的所述调节函数为：
Figure QLYQS_58
；
其中，
Figure QLYQS_59
表示所述调节函数；/>
Figure QLYQS_60
表示第一预设时间段内的任意一个时间节点；/>
Figure QLYQS_61
为时间变量；
所述第二建立模块的所述递减函数为：
Figure QLYQS_62
；
其中，
Figure QLYQS_65
表示各个轴向的编号，/>
Figure QLYQS_66
为1时，对应的是x轴；/>
Figure QLYQS_68
为2时，对应的是y轴；/>
Figure QLYQS_64
为3时，对应的是z轴；/>
Figure QLYQS_67
表示各个轴向的递减函数；/>
Figure QLYQS_69
表示各个轴向的递减函数的初值；/>
Figure QLYQS_70
表示各个轴向的第一精度值；/>
Figure QLYQS_63
表示各个轴向的第一预设时间段；
所述第二获取模块根据以下公式计算所述虚拟控制率：
Figure QLYQS_71
；
Figure QLYQS_72
；
Figure QLYQS_73
；
Figure QLYQS_74
；
其中，
Figure QLYQS_75
表示各个轴向的转换姿态跟踪误差；/>
Figure QLYQS_76
表示各个轴向的第一中间变量；/>
Figure QLYQS_77
表示各个轴向的第一常数控制增益；/>
Figure QLYQS_78
表示所述虚拟控制率；/>
Figure QLYQS_79
表示第二中间变量；
Figure QLYQS_80
为所述运动学姿态的反函数；
第三获取模块根据以下公式计算虚拟角速度误差：
Figure QLYQS_81
；
其中，
Figure QLYQS_82
表示所述虚拟角速度误差；/>
Figure QLYQS_83
表示所述角速度误差；/>
Figure QLYQS_84
表示所述虚拟控制率；
所述设计模块的所述控制器函数为：
Figure QLYQS_85
；
Figure QLYQS_86
；
Figure QLYQS_87
；
Figure QLYQS_88
=/>
Figure QLYQS_89
；
Figure QLYQS_90
；
Figure QLYQS_91
；
Figure QLYQS_92
；
其中，
Figure QLYQS_95
表示各个轴向的编号，/>
Figure QLYQS_98
为1时，对应的是x轴；/>
Figure QLYQS_102
为2时，对应的是y轴；/>
Figure QLYQS_96
为3时，对应的是z轴；/>
Figure QLYQS_100
表示第二常数控制增益；/>
Figure QLYQS_105
表示第三中间变量；/>
Figure QLYQS_107
表示各个轴向的第三中间变量；/>
Figure QLYQS_94
表示各个轴向的界函数；/>
Figure QLYQS_99
表示第四中间变量；/>
Figure QLYQS_103
表示各个轴向的第四中间变量；/>
Figure QLYQS_106
表示所述控制器函数；/>
Figure QLYQS_93
表示各个轴向的虚拟角速度误差；/>
Figure QLYQS_97
表示各个轴向的界函数的初值；/>
Figure QLYQS_101
表示各个轴向的界函数的稳定值；/>
Figure QLYQS_104
表示各个轴向的界函数的稳定时间，其中，预设的所述界函数包括各个轴向的界函数的初值、稳定值和稳定时间。
4.一种电子设备，其特征在于，包括处理器以及存储器，所述存储器存储有计算机可读取指令，当所述计算机可读取指令由所述处理器执行时，运行如权利要求1-2任一项所述空间机器人控制器设计方法中的步骤。
5.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时运行如权利要求1-2任一项所述空间机器人控制器设计方法中的步骤。
CN202310291048.1A 2023-03-23 2023-03-23 空间机器人控制器设计方法、装置、电子设备及存储介质 Active CN115993774B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310291048.1A CN115993774B (zh) 2023-03-23 2023-03-23 空间机器人控制器设计方法、装置、电子设备及存储介质

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310291048.1A CN115993774B (zh) 2023-03-23 2023-03-23 空间机器人控制器设计方法、装置、电子设备及存储介质

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN115993774A CN115993774A (zh) 2023-04-21
CN115993774B true CN115993774B (zh) 2023-06-02

Family

ID=85995375

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310291048.1A Active CN115993774B (zh) 2023-03-23 2023-03-23 空间机器人控制器设计方法、装置、电子设备及存储介质

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115993774B (zh)

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3688577B2 (ja) * 2000-10-31 2005-08-31 株式会社東芝 周回衛星追尾アンテナの制御方法及び周回衛星追尾アンテナ装置
CN105159309B (zh) * 2015-09-01 2018-01-23 西北工业大学 一种利用偏置系绳的空间飞行器姿态稳定控制方法
CN106681343B (zh) * 2016-12-23 2019-11-15 西北工业大学 一种航天器姿态跟踪低复杂度预设性能控制方法
CN106886149B (zh) * 2017-02-23 2019-10-22 哈尔滨工业大学 一种航天器鲁棒有限时间饱和姿态跟踪控制方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN115993774A (zh) 2023-04-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Cao et al. Robust fixed-time attitude stabilization control of flexible spacecraft with actuator uncertainty
Chen et al. A novel nonlinear resilient control for a quadrotor UAV via backstepping control and nonlinear disturbance observer
Liao et al. Reliable robust flight tracking control: an LMI approach
Kaminer et al. Path following for small unmanned aerial vehicles using L1 adaptive augmentation of commercial autopilots
CN107703742B (zh) 一种柔性航天器传感器故障调节方法
Xiao et al. Attitude tracking control of rigid spacecraft with actuator misalignment and fault
Jayakody et al. Robust adaptive coordination controller for a spacecraft equipped with a robotic manipulator
Wu et al. Robust fault diagnosis of a satellite system using a learning strategy and second order sliding mode observer
Van Oort et al. Full-envelope modular adaptive control of a fighter aircraft using orthogonal least squares
CN113670314B (zh) 基于pi自适应两级卡尔曼滤波的无人机姿态估计方法
Liu et al. Adaptive fault‐tolerant formation control for quadrotors with actuator faults
Emami et al. Intelligent trajectory tracking of an aircraft in the presence of internal and external disturbances
Colmenarejo et al. Methods and outcomes of the COMRADE project-Design of robust Combined control for robotic spacecraft and manipulator in servicing missions: comparison between between Hinf and nonlinear Lyapunov-based approaches
Sedaghati et al. Model predictive and non-cooperative dynamic game fault recovery control strategies for a network of unmanned underwater vehicles
CN115509248A (zh) 一种基于序列凸优化和模型预测控制的卫星集群重构控制方法
CN113625730B (zh) 一种基于超扭滑模的四旋翼自适应容错控制方法
Gu et al. Model free adaptive control design for a tilt trirotor unmanned aerial vehicle with quaternion feedback: Theory and implementation
CN115826394A (zh) 基于分数阶pid与分数阶终端滑模的四旋翼无人机控制方法
CN115993774B (zh) 空间机器人控制器设计方法、装置、电子设备及存储介质
CN116453378B (zh) 无人机航段交接切换方法及装置
CN116692028B (zh) 一种小卫星对地快速凝视指向跟踪控制方法及装置
Fu et al. Coordinated attitude control for synthetic aperture radar satellites with quantization and communication delay
Lustosa et al. A new look at the uncontrollable linearized quaternion dynamics with implications to LQR design in underactuated systems
Yu et al. Fault-tolerant control design against actuator faults with application to UAV formation flight
Zhou et al. Optimal landing control of an unmanned aerial vehicle via partial feedback linearization

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant