[发明专利]一种利用机械臂抑制航天器基座姿态干扰的方法

说明书

本发明公开了一种利用机械臂抑制航天器基座姿态干扰的方法，包括以下步骤：首先，根据空间机器人的构型建立其多体动力学模型，并在此基础上分析机械臂、天线与基座的动量守恒问题；其次，考虑任务优先级，基于动态平衡控制与零反作用空间理论，设计空间机械臂的轨迹以协调空间机械臂末端执行器任务和抑制卫星基座姿态干扰任务；最后，基于上述分析，设计空间机械臂闭环逆运动学控制，解决基座姿态抑制中由于误差积累逐渐增大的问题。结合动态平衡控制和零反作用空间的概念，通过构建运动学冗余机械臂的轨迹抑制其他转动机构引起的航天器基座姿态干扰的新方法。

技术领域

本发明属于空间机器人轨迹规划技术领域；具体涉及一种利用机械臂抑制航天器基座姿态干扰的方法。

背景技术

迄今为止，仍未实现完全自主的空间在轨服务任务，例如卫星维修、在轨组装、碎片清除等。由于空间机械臂具有多功能性、可扩展性等特性，成为一种实现在轨服务的优异手段。对于执行在轨服务任务的航天器，不仅仅具备机械臂等转动机构，还具备天线、太阳帆板等转动机构。因此，在轨服务航天器是一个复杂的多体系统。当天线、太阳帆板转动时，不可避免的对航天器本体造成姿态干扰，利用机械臂的运动消除这些姿态干扰非常重要，因为姿态干扰会影响相对敏感器的测量，亦可节省星上宝贵的燃料资源。因此，如何设计一种利用机械臂抑制航天器基座姿态干扰，具有重大的研究意义与实用价值。

空间机械臂本身作为一个运行在微重力环境中的多输入、多输出、非线性、强耦合的复杂系统，其运动规划问题起源于计算几何学的相关研究课题。文献中对此已有一系列相关研究，Yoshida等学者提出了零反作用空间的概念并在ETS-VII项目中进行了飞行验证，特别是针对运动冗余机械臂，在此空间内设计的机械臂轨迹可以最小化基座姿态干扰并移除操作过程中的关节速度约束。徐文福等人针对自由漂浮空间机器人提出了速度级逆运动学方程的方法，用于实现机械臂末端执行器连续位姿跟踪、基座姿态调整等任务。Kaigom等采用粒子群算法搜索参数化空间构建了基座姿态最小干扰的空间机械臂轨迹。基于约束最小二乘方法，Cocuzza等设计了机械臂轨迹跟踪过程中航天器局部最小动力学干扰的控制方法。王从庆等针对空间自由漂浮双臂机器人提出一种鲁棒协调控制方法，并保证内力跟踪误差的有界性。王明等提出一种基于机械臂耦合力矩评估的组合航天器姿态协调控制方法。

上述有关空间自由漂浮机器人的运动规划方法虽然能够完成最小基座姿态干扰的任务目标，但是一般仅考虑航天器带有单个机械臂或者两个完全相同的机械臂。然而，如上所述，航天器本体上可以安装有多个转动机构。每个转动机构的构型、质量分布特性不尽相同，这种情况下，如何协调不同转动机构间的运动十分重要。

发明内容

本发明提供了一种利用机械臂抑制航天器基座姿态干扰的方法；结合动态平衡控制和零反作用空间的概念，提出了应用运动学冗余机械臂抑制其他转动机构引起的航天器基座姿态干扰的新方法。

本发明的技术方案是：一种利用机械臂抑制航天器基座姿态干扰的方法，包括以下步骤：

步骤1，建立空间机器人系统的动力学模型：