[发明专利]一种空间绳网机器人的逼近动力学建模方法

说明书

技术领域

本发明属于新型航天器动力学建模研究的领域，具体涉及一种空间绳网机器人的逼近动力学建模方法。

背景技术

空间绳网机器人是一种新型的“空间平台+连接系绳+柔性网(含自主机动单元)”结构的空间机器人系统，可针对各种目标进行捕获，且具有极大的容差能力，主要应用于空间垃圾清理任务。其主要工作流程为：首先由搭载空间绳网机器人的空间平台靠近目标至空间绳网机器人的作用距离范围内；然后由空间平台发射空间绳网机器人的柔性网，再由自主机动单元在自身的位姿控制机构和导航设备以及空间平台测控系统的支持下，控制柔性网按预定的轨迹与速度向目标进行逼近飞行；最后由柔性网碰撞并包裹目标，从而完成对于目标的捕获，并由空间平台利用连接系绳将目标拖曳至大气层或坟墓轨道，然后切断连接系绳。空间绳网机器人的结构如附图1所示。1表示空间平台，2表示连接系绳，3表示柔性网，4为连接系绳与柔性网的连接点，5,6,7,8表示安装于柔性网上的四个自主机动单元。

但是，柔性网使得空间绳网机器人的逼近动力学变得十分复杂，动力学建模非常困难。文献(于洋，宝音贺西，李俊锋.空间柔性网抛射展开过程动力学建模与仿真[J].宇航学报，2010，31(5)：1289-1296)和文献(敬忠良，袁建平等.航天器自主操作的测量与控制[M].北京：中国宇航出版社，2011：493-518)将柔性网离散化为质点和弹性杆单元的结构，在此基础上建立了柔性网的动力学模型；文献(Provot X.Deformation constraints in a mass-spring model to describe rigid cloth behavior[C].Proceedings of Graphics Interface，Quebec，Canada，1995)采用质点弹簧模型建立了网结构的动力学模型。但是这类质点弹簧模型虽然建模原理简单，但建立的模型十分复杂，且以各质点为对象的数学模型很难用于控制系统设计。另外，由于组成柔性网的系绳杨氏模量极高，模型仿真计算缓慢。研究设计一种空间绳网机器人的新型建模方法势在必行。

发明内容

本发明的目的是针对空间绳网机器人的逼近动力学问题，研究其动力学建模及解算方法，提供一种空间绳网机器人的逼近动力学建模方法，该方法为空间绳网机器人的研究奠定了基础。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案包括以下步骤：

1)建立建模参考坐标系并提出建模假设条件；

2)建立单片柔性网的模型；

3)建立空间绳网机器人的逼近动力学模型；

4)建立系绳连接点与自主机动单元间系绳运动的速度跳变模型。

所述的步骤1)中，建立建模参考坐标系的具体方法是：

首先建立地心惯性系OXYZ，其坐标原点O位于地球中心，OX轴指向地球的春分点，OZ轴指向地球北极，OY轴在赤道平面内垂直于OX轴；然后建立轨道坐标系O_oX_oY_oZ_o，其坐标原点O_o位于空间平台的质心，O_oX_o轴沿机动空间平台轨道的切向，指向空间平台运动方向，O_oZ_o轴与原点O_o和地心O的连线重合，指向地心，O_oY_o轴沿轨道平面负法线方向。

所述的步骤1)中，建模假设条件具体如下：

假设1.空间平台运行于圆轨道，且质量要远大于系绳、柔性网和自主机动单元质量的总和；

假设2.忽略空间平台与柔性网的连接系绳的弹性与质量，忽略自主机动单元体积，逼近任务中，连接系绳处于绷紧状态；

假设3.柔性网的质量分布均匀，网孔很小，在逼近目标过程中不大幅变形；

假设4.由于系绳杨氏模量极大，假设系绳连接点与自主机动单元间、自主机动单元间的系绳不可伸长。

所述的步骤2)中，建立单片柔性网模型的具体方法是：

系绳连接点与柔性网的四个自主机动单元将柔性网分为四块，利用假设3，将四片柔性网分别建模为三角形薄壳；以系绳连接点与柔性网的第一自主机动单元和第二自主机动单元组成的单片柔性网为例说明，A表示系绳连接点，B表示第一自主机动单元，C表示第二自主机动单元，R₁，R₂，R₃分别表示A,B,C在地心惯性系下的位置矢量；