[发明专利]一种绳系组合体姿态机动协同控制方法

权利要求书

1.一种绳系组合体姿态机动协同控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

根据拖曳移除任务要求，确定绳系组合体姿态机动的目标姿态，包括组合体的目标姿态、飞行器的目标姿态及废弃卫星的目标姿态；

设计所述组合体的目标姿态、飞行器的目标姿态及废弃卫星的目标姿态三者跟踪同一姿态规划路径，且单轴依次机动的协同机动策略；

根据所述组合体的目标姿态、飞行器的目标姿态及废弃卫星的目标姿态三者机动能力的最小者，确定绳系组合体姿态机动规划路径的角加速度及最大角速度；

根据所述角加速度及最大角速度，采用匀加速-匀速-匀减速方式规划绳系组合体姿态机动路径；

设计绳系组合体姿态机动的组合体姿态控制律、飞行器姿态控制律、废弃卫星姿态控制律，实现绳系组合体姿态机动的协同控制。

2.如权利要求1所述的绳系组合体姿态机动协同控制方法，其特征在于，所述组合体姿态用面内摆角和面外摆角表示，面内摆角为废弃卫星相对飞行器的位置矢量在飞行器轨道平面的投影与飞行器轨道坐标系x轴的夹角，且面内摆角范围为[-π,π]，并废弃卫星在飞行器的下方时，面内摆角为正值，在飞行器上方时，面内摆角为负值；面外摆角为废弃卫星相对飞行器的位置矢量与飞行器轨道平面的夹角，且面外摆角范围为[-π/2,π/2]，并废弃卫星在飞行器飞行方向右侧时，面外摆角为正值，在飞行器飞行方向左侧时，面外摆角为负值。

3.如权利要求1所述的绳系组合体姿态机动协同控制方法，其特征在于，所述飞行器姿态、废弃卫星姿态用滚转角、俯仰角及偏航角表示，且飞行器、废弃卫星沿系绳方向的姿态角为滚转角。

4.如权利要求1所述的绳系组合体姿态机动协同控制方法，其特征在于，设计所述组合体的目标姿态、飞行器的目标姿态及废弃卫星的目标姿态三者跟踪同一姿态规划路径，具体为组合体面内摆角、飞行器俯仰角、废弃卫星俯仰角三者跟踪同一规划路径；组合体面外摆角、飞行器偏航角、废弃卫星偏航角三者跟踪同一规划路径；飞行器的滚转角保持稳定，废弃卫星滚转角不进行控制。

5.如权利要求1所述的绳系组合体姿态机动协同控制方法，其特征在于，确定绳系组合体姿态机动规划路径的角加速度及最大角速度的计算方法包括：

计算组合体姿态机动的角加速度，组合体面内、外摆角机动的角加速度为：其中F_th为飞行器的推力大小，为F_th的力臂，为组合体主惯量；

计算飞行器俯仰角、偏航角的机动角加速度，飞行器俯仰角、偏航角的机动角加速度为：

计算废弃卫星俯仰角、偏航角的机动角加速度，废弃卫星俯仰角、偏航角的机动角加速度为：其中F_ten为机动过程中系绳张力大小；

确定绳系组合体姿态机动规划路径的角加速度及最大角速度，组合体面内摆角、飞行器及废弃卫星俯仰角的机动加速度a_λ及最大机动角速度ω_f-max为：a_λ＝0.8min{a_c,a_sy,a_ty}，ω_λ-max＝10a_λ；

组合体面外摆角、飞行器及废弃卫星偏航角的机动加速度a_γ及最大机动角速度ω_γ-max为：a_γ＝0.8min{a_c,a_sz,a_tz}，ω_γ-max＝10a_γ；

其中m_s为飞行器的质量，m_t为废弃卫星的质量，l_st为飞行器质心到废弃卫星质心的距离，l_sy、l_sz分别为飞行器y轴、z轴的控制力臂，J_sy，J_sz分为飞行器y轴、z轴的主惯量。

6.如权利要求1所述的一种绳系组合体姿态机动协同控制方法，其特征在于，所述设计绳系组合体姿态机动的组合体姿态控制律、飞行器姿态控制律、废弃卫星姿态控制律包括：

设计组合体姿态控制律：通过激光成像雷达的测量信息并结合飞行器的三轴姿态，获得组合体面内摆角与面外摆角的测量信息，结合绳系组合体姿态机动规划路径，获得面内摆角偏差和面外摆角偏差信息，设计PD控制律获得组合体期望控制力矩；

设计飞行器姿态控制律：采用星敏、陀螺组合定姿方式获得飞行器的三轴姿态信息，结合绳系组合体姿态机动规划路径，获得飞行器当前姿态与期望规划姿态的偏差信息，设计PD控制律获得飞行器期望的控制力矩；

设计废弃卫星姿态控制律：绳系组合体姿态机动过程中，废弃卫星姿态不进行主动控制，利用系绳张力实现废弃卫星姿态的被动稳定；且通过飞行器的系绳张力控制装置实现系绳恒定张力保持，同时基于系绳长度变化，飞行器沿系绳方向推力器间歇工作，以保持飞行器与目标之间相对距离在约束范围，所述约束范围为20～60米。