[发明专利]一种空间机器人捕获目标后消旋及协调控制方法

说明书

本发明公开了一种空间机器人捕获目标后消旋及协调控制方法，包括建立捕获目标后的空间机器人与捕获目标构成的组合体的动力学方程；然后，利用贝塞尔曲线规划捕获目标后抓捕点的轨迹，并且利用带自适应惯性权重受约束的粒子群优化算法搜索最优消旋时间和目标的位姿，生成了机械臂末端的参考消旋轨迹；最后，设计能够同时稳定基座姿态和保证末端跟踪参考消旋轨迹的协调控制方法。提供了一种考虑能量最少、消旋时间最少，基于粒子群优化算法的冗余空间机器人抓捕翻滚目标后的消旋策略与协调控制方法。

技术领域

本发明属于空间机器人捕获目标技术领域；涉及一种空间机器人捕获目标后消旋及协调控制方法。

背景技术

卫星维护、在轨装配和空间碎片去除的需求日益增长，要求空间机器人在特定恶劣的空间环境中执行任务。具体事例有“机器人技术试验(ROTEX)”、“工程试验卫星VII(ETS-VII)”、“轨道快车(OE)”、“机器宇航员2”等。根据目前世界各空间机构计划的空间机器人，在空间任务中机器人数量和性能的增加在未来已成定局。在这些空间机器人项目中，研究人员对自由漂浮模式下执行的空间任务有很大兴趣。针对抓捕后阶段，由于空间机械臂与非合作目标间仍存在相对运动，不利于空间机器人对目标进行后续维修等操作。因此，需要发展特定的消旋技术以应对自由漂浮空间机器人抓捕非合作目标后的组合体稳定控制问题。

现有技术中提出了很多空间机器人轨迹规划和运动控制方法。基于零作用空间(RNS)的概念，Yoshida等人提出了无反作用机械臂，解决了运动学非冗余臂和冗余臂时间损失和机械臂速度限制的问题。Sharf等人也采用了基于RNS的轨迹规划方法，依据动量守恒定律实现了对翻滚目标的抓捕。之后，徐等人利用自由漂浮空间机器人非完整特性提出了一种点到点的路径规划方法，同时调节基座姿态和末端的位姿。Lampariello等人研究了一种机器人最优抓捕机动目标的实时轨迹规划方法，利用B样条参数化期望的关节轨迹，采用序列二次规划方法搜索最优解。针对机器人运动控制问题，考虑到动力学不确定特性，徐等人提出了一种针对自由飞行机器人的自适应控制方法。Matsuno等人引入了一种协调和输入转换算法，将含漂移项的仿射系统转换成与时间有关的控制项。王等人提出了一种考虑避撞的非线性模型预测控制方法，实现了末端的路径跟踪控制。

以上研究主要关注抓捕前的轨迹规划与运动控制。当机械臂抓捕一个不可控的卫星后，机械臂应逐渐对目标施加力矩，以消除二者间的相对速度。然而，针对抓捕后阶段消旋运动规划的研究却很少。Nenchev等人中提出了一种基于RNS的抓捕后机械臂控制方法，将基座的角动量传到机械臂，减小了关节角速度。Yoshida等人提出了一种抓捕后动量分布控制方法，保证对基座姿态干扰最小情况下将目标角动量传到反作用轮。基于庞特里亚金极小值原理，Aghili等人提出了一种机械臂先拦截非合作目标后再消旋的方法，主要考虑最少消旋时间。考虑了初末边界不确定性，Abad等人设计了最优控制方法减小对基座姿态的干扰。未来在轨服务中如何消除捕获后目标的自旋运动是至关重要的研究领域，设计机械臂的消旋策略至今仍是一个具有挑战性的问题。针对抓捕后阶段，近期王等人提出了一种利用贝塞尔曲线规划机械臂末端路径的消旋策略，并设计了同时稳定基座姿态和保证末端准确跟踪参考消旋轨迹的协调控制方法。

发明内容

本发明提供了一种空间机器人捕获目标后消旋及协调控制方法；提供了一种考虑能量最少、消旋时间最少，基于粒子群优化算法的冗余空间机器人抓捕翻滚目标后的消旋策略与协调控制方法。

本发明的技术方案是：一种空间机器人捕获目标后消旋及协调控制方法，包括建立捕获目标后的空间机器人与捕获目标构成的组合体的动力学方程；然后，利用贝塞尔曲线规划捕获目标后抓捕点的轨迹，并且利用带自适应惯性权重受约束的粒子群优化算法搜索最优消旋时间和目标的位姿，生成了机械臂末端的参考消旋轨迹；最后，设计能够同时稳定基座姿态和保证末端跟踪参考消旋轨迹的协调控制方法。

更进一步的，本发明的特点还在于：

空间机器人捕获目标后消旋及协调控制方法的具体过程是：