[发明专利]空间绳系抓捕系统保持阶段系绳面内面外角稳定控制方法

说明书

本发明涉及一种空间绳系抓捕系统保持阶段系绳面内面外角稳定控制方法，首先建立空间绳系抓捕系统保持阶段动力学模型；根据滑模变量方程，对空间绳系抓捕系统保持阶段动力学方程进行整理；设计空间绳系抓捕系统保持阶段Super‑Twisting控制律；计算空间绳系抓捕系统保持阶段系绳面内面外角稳定控制力矩大小。有益效果：本发明所设计的控制律，可以在有干扰的情况下，快速消除面内面外角摆动，并将系绳面内面外角控制在期望值；相比于传统滑模方法，本发明所设计的控制律可以实现连续控制输入并消除抖振。

技术领域

本发明属于航天器控制技术研究领域，涉及一种空间绳系抓捕系统保持阶段系绳面内面外角稳定控制方法。

背景技术

空间安全问题已经日益严峻，为维护空间安全，研究人员提出了利用空间绳系抓捕系统进行空间垃圾清理任务。空间绳系抓捕系统通常为“空间平台+连接系绳+末端执行机构”的结构。根据末端执行机构的不同，空间绳系抓捕系统包括空间机器人、空间绳系飞矛、空间绳系飞网。由于系绳的存在，使得空间绳系抓捕系统的操作范围广，抓捕包络大，且相比于空间刚体抓捕系统，控制精度要求较低，抓捕成功率更高。因此，空间绳系抓捕系统在失效卫星捕获、辅助变轨、在轨维修等在轨服务中有着广泛的应用。

目前关于空间绳系抓捕系统的研究大多致力于释放、抓捕以及抓捕后的复合体控制研究。此外，关于释放阶段的研究也都重点关注在系绳长度是否释放到期望值。然而，当系绳释放至期望长度时，系绳的面内、面外角往往还在摆动，这将会导致系绳与末端执行机构发生缠绕，并对下一个任务阶段(抓捕)中与目标航天器的交会产生较大影响，导致任务失败。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种空间绳系抓捕系统保持阶段系绳面内面外角稳定控制方法，在建立了空间绳系抓捕系统保持阶段动力学模型的基础上，设计了一种空间绳系抓捕系统保持阶段系绳面内面外角稳定控制方法。

技术方案

一种空间绳系抓捕系统保持阶段系绳面内面外角稳定控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、建立空间绳系抓捕系统保持阶段动力学模型：

无量纲化后的空间绳系抓捕系统保持阶段动力学方程为：

其中，无量纲化后的广义力和分别为：

其中，θ为轨道真近点角；R_c为轨道半径；α和γ分别为系绳面内角和面外角；Q_α,Q_γ分别为导致α和γ运动的非保守外力，也就是控制力；l为保持阶段的长度；μ为地球引力常数；m₁,m₂,m_t分别为空间平台、末端执行机构和系绳的质量；m为系统总质量，即m＝m₁+m₂+m_t；m_e为质量参数，定义为m_e＝[m₁(m₂+m_t/3)+(m_t/3)(m₂+m_t/4)]/m；

步骤2、根据滑模变量方程，对空间绳系抓捕系统保持阶段动力学方程进行整理：

定义滑模变量为：

其中，σ定义为σ＝[σ₁ σ₂]^T；e为状态变量的误差，e＝x-x_d，x_d为状态变量的期望值；k和c分别为误差和误差导数的参数；