[发明专利]一种空间碎片的绳系拖曳稳定控制方法有效

专利信息
申请号: 201710980270.7 申请日: 2017-10-19
公开(公告)号: CN107643689B 公开(公告)日: 2020-02-04
发明(设计)人: 杨科莹;张景瑞;祁瑞 申请(专利权)人: 北京理工大学
主分类号: G05B13/04 分类号: G05B13/04
代理公司: 11639 北京理工正阳知识产权代理事务所(普通合伙) 代理人: 唐华
地址: 100081 *** 国省代码: 北京;11
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摘要:
搜索关键词: 一种 空间 碎片 拖曳 稳定 控制 方法
【说明书】:

发明涉及一种空间碎片的绳系拖曳稳定控制方法,尤其涉及航天器相对运动和柔性绳系控制方法,属于航天器姿态动力学与控制领域。本发明通过选取适当的广义坐标,利用拉格朗日方法建立绳系拖车系统的三维轨道姿态耦合动力学精确模型,其中,将碎片和拖车均视为刚体,系绳看作无质量的弹簧阻尼;提出了在系绳对碎片进行消旋前,估计系绳对特定碎片消旋能力的方法;针对初始旋转的空间碎片,设计采用系绳原长和连接点偏移量作为控制输入的偏移控制策略,实现碎片的消旋,并稳定系统的抖动,从而为空间碎片的绳系拖曳清除提供可靠的保障。

技术领域

本发明涉及一种空间碎片的绳系拖曳稳定控制方法,尤其涉及航天器相对运动和柔性绳系控制方法,属于航天器姿态动力学与控制领域。

背景技术

绳系拖车系统中,采用单绳对碎片进行消旋处理的有效策略是偏移控制方法。文献(Kumar,K.D.,and Tan,B.Nonlinear optimal control of tethered satellitesystems using tether offset in the presence of tether failure.ActaAstronautica 66.9(2010):1434-1448)利用系绳连接点和系绳原长两个控制量,使用非线性逆最优控制方法,抑制系统的振荡。在该方法中,将系绳连接点看作变量,通过求取动力学方程的三阶导数分离控制变量,从而设计控制律,完成碎片的消旋。方法理论研究无误,但由于实际生活中的动力学系统多为二阶,求取其三阶导之后,函数极易出现不连续,大部分时间为零等问题,导致计算过程中出现很大误差,甚至发生奇异。因此在实际工程中,该文献中的方法不能顺利完成对空间碎片的消旋。为解决这一问题,必须使用新的方法来合理设计系绳连接点及系绳原长的控制律,从而有效地对碎片进行消旋,保证碎片清除任务的顺利进行。此外,在大部分已发表的相关文献中,碎片的初始旋转方向位于轨道面内,系统仅存在平面内的运动的情况,对于碎片在轨道面外的旋转消旋问题则鲜少提出并研究。因此采用单绳拖拽空间碎片并以绳长,系绳与碎片连接点为控制量,合理设计控制器,使碎片在俯仰轴和偏航轴消旋稳定是十分有意义的。

本发明旨在提出一种空间碎片的绳系拖曳稳定控制方法。在绳系拖车系统精确建模的基础之上,利用系绳与碎片的连接点偏移量和系绳原长对空间碎片进行消旋处理,抑制绳系拖车系统的振荡,为空间碎片清除过程提供稳定控制,从而保证碎片清除任务安全可靠地进行。

发明内容

本发明的目的是为了解决单根系绳拖曳空间碎片过程中碎片旋转引起系统振荡甚至失稳的问题,提供一种空间碎片的绳系拖曳稳定控制方法。该方法对绳系拖车系统进行了精确的三维姿轨耦合动力学建模,并在此基础之上,仅依靠改变系绳连接点的位置和绳长,模拟双绳交替长紧松弛的效果,实现对碎片的消旋处理。此方法以其动力学建模精确,方法实现简便等优点,为空间碎片的平稳移除提供可靠的保障。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种空间碎片的绳系拖曳稳定控制方法,通过选取适当的广义坐标,利用拉格朗日方程建立绳系拖车系统的三维姿轨耦合动力学精确模型,其中将碎片和拖车视为刚体,系绳看作无质量的弹簧阻尼;提出了在系绳对碎片进行消旋前,估计系绳对特定碎片消旋能力的方法;针对初始旋转的空间碎片,设计采用系绳原长和连接点偏移量作为控制输入的偏移控制策略,实现碎片的消旋,并稳定系统的抖动,从而为空间碎片的绳系拖曳清除提供可靠的保障。

一种空间碎片的绳系拖曳稳定控制方法,包括如下步骤:

步骤一:通过拉格朗日方法建立系统的三维姿轨耦合动力学精确模型;

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