[发明专利]一种空间双机械臂系统运动协调控制方法

说明书

本发明涉及一种空间双机械臂系统运动协调控制方法，属于空间机械臂技术领域，本发明为了解决目前还没有针对于双机械臂的空间机械臂系统，以及现有的空间机械臂系统未考虑到机械臂与卫星本体间的协调关系，跟踪误差较高的缺点，而提出一种空间双机械臂系统运动协调控制方法。一种空间双机械臂系统运动协调控制方法，包括：构建空间双机械臂系统的运动学方程以及动力学方程；根据机械臂的初始位姿以及末端位姿，对空间双机械臂系统进行轨迹规划；通过PD控制器对空间双机械臂系统轨迹进行跟踪控制。本发明适用于空间机械臂控制系统。

技术领域

本发明涉及一种空间双机械臂系统运动协调控制方法，属于空间机械臂技术领域。

背景技术

航天科技的发展，极大地改变了人类生活，空间技术的应用领域在近一、二十年中得到了飞速的拓展，除了在空间科学应用方面得到继续深化外，在空间对抗、空间服务等领域也对空间技术提出了新的需求和任务，其中对空间目标的在轨操作、交会对接技术由于在军事和民用领域上的潜在价值，正被各国广泛重视^[1]。通过使用空间机械臂系统对空间合作/非合作目标进行操作，包括对发生故障失效的卫星、燃料耗尽寿命终结的卫星等合作/非合作目标实施在轨捕获、元器件更换、燃料加注、助推离轨等操作可极大地延长卫星的使用寿命，大幅节省卫星的研制成本，因而具有极大的应用价值。

近年来，各航天大国及科研机构，如欧洲ESA、美国NASA、日本JAXA等通过使用空间机械臂技术对空间合作/非合作目标开展了大量的在轨验证项目。美国开展了“凤凰”计划，其主要目的是通过寻求对现有卫星发射方式、卫星部署方式的突破实现对空间资源的有效的再利用，凤凰计划的服务航天器系统可以利用系统上安装的空间机械臂装置，实现对弃用卫星的可以使用零部件(如天线)重新拆卸组装，达到从新构造卫星的目标，同时在上诉目标完成后具有在轨转移能力^[2]。航天大国德国在空间机械臂控制技术进行了多年的核心技术攻关，到目前为止，德国主要的研究项目包括：机器人技术实验、试验服务卫星、空间系统演示验证技术卫星和德国在轨服务计划。欧空局在空间机械臂应用领域的研究成果代表性项目为Jerico机械臂项目与欧洲机械臂项目。但是，应该看到我国对空间机械臂系统在轨操作任务发展上仍然落后于世界其他航天大国。

按照在空间项目中的应用，部署在空间的机械臂系统可分为空间单机械臂系统、空间双机械臂系统及多机械臂系统。单臂系统目前研究的内容较多，成果比较深入。与单臂系统相比，双臂空间机器人的操作臂可以同时、独立完成类似单臂空间人的各种操作，协调地执行某一项共同的任务,具有操作精度高、反映速度快、对复杂空间环境的适应性强，能够执行的任务更复杂等优点，因而更受各国的青睐^[3]。

由于机械臂和平台载体之间存在着运动学和动力学耦合，会给系统本体姿态控制与机械臂系统的运动控制产生干扰，导致对于地面固定基座的机械臂控制技术不能直接应用到空间机械臂系统上，因此必须建立空间机械臂运动学和动力学模型^[4]。对于双臂空间机器人系统的动力学建模问题、轨迹规划问题和运动控制问题，如何建立准确、简洁的空间机械臂运动学和动力学模型并实现空间机械臂的高精度运动控制是目前理论和工程问题研究的基础和难点。

一、空间机械臂系统运动建模

由于难以在地面重现空间应用环境，因此精确地建立空间机械臂系统运动学与动力学模型对系统设计、轨迹规划和控制算法等方面的研究尤为重要，并且有利于对系统运动过程进行更准确的仿真。空间机械臂属于多体系统，由运动基座和臂杆两部分共同组成，因此，适用于其他多体系统的建模方法可同样应用于空间机械臂系统^[5]。

针对地面机械臂比较成熟的建模方法有牛顿-欧拉方程和拉格朗日方程等，均属于多体系统的建模范畴。而空间机械臂系统强耦合、非线性、时变等特点使得建模问题较地面系统相对复杂，为推动空间机械臂技术的发展，各国学者纷纷针对空间机械臂的运动学与动力学特性，提出了一些极具学习价值的建模方法。