[发明专利]一种空间机器人燃料最省的协调控制方法

说明书

本发明涉及一种空间机器人系统基座和臂的协调控制方法，其中，在系统质心处设计了基座推进器燃料最省的最优控制律，利用饱和函数代替输入不等式约束，使得最优控制问题可以被变分法求解，具有求解速度快、解的精度高、方便在线应用等优点。此外，考虑了反作用飞轮等基座姿态执行器只能提供较小、有限的力矩，在基座姿态执行器饱和时，可以利用臂的运动产生恰当的反作用力矩，保证了基座姿态可以被控制到期望值。

技术领域

本发明属于空间机器人抓捕目标的控制方法研究技术领域，具体涉及一种空间机器人近距离逼近目标阶段基座航天器和臂协调控制方法。

背景技术

空间机器人可以用于故障卫星维护、大型航天器在轨安装、以及空间碎片清理等任务。在空间机器人近距离逼近目标阶段，考虑燃料消耗最少以及基座航天器反作用飞轮等姿态执行器只能提供有限控制力矩增大了基座和臂协调控制设计的难度。现有的基座和臂的协调控制律没有考虑对燃料消耗最少或/和没有考虑反作用飞轮等姿态执行器可能无法提供设计的基座姿态控制力矩(见参考文献A.Flores-Abad,Z.Wei,O.Ma,K.Pham,Optimal control of space robots for capturing a tumbling object withuncertainties,Journal of Guidance,Control,and Dynamics.2014,37(6):2014-2017；E.Papadopoulos,S.Dubowsky,Coordinated manipulator/spacecraft motion controlfor space robotic systems,in:Robotics and Automation,IEEE InternationalConference on,IEEE,1991,pp.1696-1701.)。为实现燃料最省，需要研究空间机器人的最优控制律，现有的空间机器人最优控制律大都针对自由漂浮空间机器人(见参考文献P.Huang,Z.Hu,Z.Meng,Coupling dynamics modelling and optimal coordinatedcontrol of tethered space robot,Aerospace Science and Technology.2015,41:36-46；M.Wang,J.Luo,U.Walter,A non-linear model predictive controller withobstacle avoidance for a space robot,Advances in Space Research.2016,57(8):1737-1746.)，且很多使用“直接法”求解得到的最优控制问题，需要通过迭代才能收敛到最优解，存在计算量大、解不准确、可能不适合在线应用的缺点(见参考文献A.V.Rao,Asurvey of numerical methods for optimal control,Advances in the AstronauticalSciences.2009,135(1):497-528.)。如果使用“间接法”求解最优控制问题，一旦最优控制问题中出现不等式约束，则无法使用常规的变分法，而只能使用庞特里亚金极小值原理求解(见参考文献L.S.Pontryagin,Mathematical theory of optimal processes,Routledge,2018.)。由于使用庞特里亚金极小值原理时可能遇到奇异弧等问题，一些最优控制研究考虑使用饱和函数代替不等式约束，消除了不等式约束，使得转化后的最优控制问题可以使用变分法求解(见参考文献K.Graichen,A.Kugi,N.Petit,F.Chaplais,Handling constraints in optimal control with saturation functions and systemextension,SystemsControl Letters.2010,59(11):671-679.)。针对基座姿态执行器可能无法提供需要的控制力矩时，一些研究提出可以利用臂与基座之间的动力学耦合效应来通过臂的运动产生反作用力矩控制基座姿态(见参考文献S.Cocuzza,I.Pretto,S.Debei,Least-squares-based reaction control of space manipulators,Journal ofGuidance,Control,and Dynamics.2012,35(3):976-986.)。本发明提出一种空间机器人燃料最省以及考虑了基座姿态执行器作用力矩有限的基座和臂的协调控制方法。其中，在空间机器人系统质心处设计基座推进器推力的最优控制律，关于输入的不等式约束被表示为饱和函数，使得空间机器人燃料最省的最优控制问题可以使用变分法求解，具有计算量小、结果准确以及方便在线应用等优点。此外，在基座姿态执行器饱和时，设计了臂的运动来产生适当的反作用控制力矩，保证了基座姿态可以跟踪期望轨迹。