[发明专利]一种抑制柔性拖拽系统末端摆动的控制方法

说明书

本发明涉及一种抑制柔性拖拽系统末端摆动的控制方法，包括如下步骤：步骤1：拖拽控制装置设计。步骤2：参数测量与换算。步骤3：控制算法实现。本发明通过拖曳控制装置来控制柔性线缆收放拉力的大小，从而有效地抑制线缆末端位置因干扰产生的末端摆动。

技术领域

本发明涉及一种抑制柔性拖拽系统末端摆动的控制方法，该发明属于柔性体位置控制领域。

背景技术

柔性拖拽系统在现实生活中非常常见，例如软管空中加油系统、系留无人机系统或是常见的风筝。由于气流或者水流中存在各种干扰，当较长的绳索或柔性线缆在这类流体中以一定速度运动时，其末端在干扰力的作用下会出现一定幅度地摆动，这种干扰摆动对于需要一些精确对接控制的任务来说非常不利。例如空中加油的对接阶段，受油机需要精确地捕获柔性输油软管末端的锥套，此时如果受到气流的干扰而出现较大地位置波动，空中对接的任务将很难成功完成。本发明通过控制拖拽控制装置收缩拉力的大小，有效地抑制柔性拖拽系统因干扰产生的末端摆动。该方法对未来的精确自主对接控制具有十分重要的作用和意义。

发明内容

本发明设计了一种抑制柔性拖拽系统末端摆动的控制方法，通过实时控制拉力的大小来抑制柔性拖拽系统因干扰产生的末端摆动。

本发明中面对的柔性拖拽系统描述如下：

如图1(a)、(b)所示是以空中对接为例子的一个有无拖拽控制装置对柔性拖拽系统末端位置摆动的一个对比图。图1(a)为柔性线缆长度固定的情形，可以看出当受到一个干扰力f_b时，柔性线缆末端会像一个单摆一样沿圆弧切线移动，从而形成较大的竖直方向的位移。而图1(b)为有拖曳控制装置的末端摆动控制作用的情形，此时露在外面的柔性线缆受到控制作用长度变短，从而使锥套的主要移动方向从向下改为了向前，这就保证了竖直方向的位移大大减小。对于精确的对接控制的系统而言，竖向和侧向的位置偏移较小意味着目标靶面位移小，更容易捕获。

如图2所示为柔性拖拽系统拖拽控制装置的滚筒系统示意图，1表示柔性线缆、2表示转轴、3表示滚筒、4表示末端物体、O为滚轴中心位置、A为柔性线缆与滚轴相切位置、B为柔性线缆末端位置、C点为最大可收缩位置。此外， T_reel表示施加在滚筒外壁的控制力大小，而l表示暴露在外侧的柔性线缆的长度 (图2中A点到B点曲线长度)。令r_reel表示滚筒的半径(图2中O点到A点的距离)，θ＝l/r_reel表示滚筒转过的总角度，简称滚筒转角。随着作用在滚筒上的控制力T_reel或者柔性线缆末端的干扰力f_b发生变化，滚筒因原来的受力平衡被破坏而发生转动(滚筒转角θ改变)，暴露在外侧的柔性线缆总长度l也会相应变化。因此，通过控制算法得到合理的控制力T_reel，可以使柔性线缆末端因干扰产生的末端摆动幅度尽量小。

为了保证安全性，避免拖拽控制装置在较大外力干扰下失去控制，需要对拖拽控制装置的可收放长度进行一定约束。如图2中C点表示预设的整个拖拽控制装置最大可收缩到的位置，因此AC的长度被称为“剩余可收缩长度”用符号l₁表示。

设柔性拖曳系统的柔性线缆完全放出并且平衡时，滚筒上的平衡控制力为此时的平衡剩余可收放长度(图2中AC段长度)记为设在某时刻t时，滚筒的实时控制力大小用T_reel(t)表示，剩余可收缩长度用l₁(t)表示，柔性线缆长度的收缩速度用表示；本发明的滚筒控制力T_reel(t)通过如下表达式给出

其中，为控制器的参数，需要根据实际效果进行调节。

本发明设计了一种抑制柔性拖拽系统末端摆动的控制方法，通过实时控制收放拉力的大小来抑制柔性拖拽系统因干扰产生的末端摆动。该方法具体包含以下步骤：

步骤一：拖拽控制装置设计。