[发明专利]一种绳系飞网捕获非合作目标的碰撞中心估计方法

说明书

本发明公开了一种绳系飞网捕获非合作目标的碰撞中心估计方法，首先建立空间绳系飞网机器人系统动力学模型，接下来设计可机动单元系绳拉力观测器，然后计算碰撞时刻可机动单元拉力突变峰值，最后采用基于BP神经网络的算法估计碰撞中心点位置。本发明不依靠非合作目标相对速度、质量等信息，可以快速直接通过输入可机动单元系绳拉力精确估计碰撞中心点。

技术领域

本发明属于航天技术领域，具体涉及一种绳系飞网碰撞中心估计方法。

背景技术

空间绳系飞网具有灵活性和大包络性等优点，近年来，被广泛应用于空间碎片清除、废弃卫星捕获等在轨服务任务。其中，碰撞抓捕环节是决定任务成败的关键。由于绳系飞网柔性特质和特殊的弹射发射方式，以及目标运动状态通常无法测量或预知，整个抓捕过程中，飞网与目标的碰撞是随机的。碰撞中心的位置直接影响捕获收口的期望位置，对于后续的轨迹规划及控制具有重要意义。

然而，非合作目标的运动状态和姿态都是未知的，目标与空间绳系飞网之间没有信息交流，故碰撞抓捕过程具有任意性，从而使飞网的收拢问题成为研究的难点。针对这一问题，有很多专利和文章给出了一些解决方法。例如，申请号为CN109063307A的中国发明专利，提出了一种用于计算可机动飞网抓捕目标的碰撞位移和碰撞力计算方法，通过可机动单元的测量力、位置和速度信息得到飞网中心的碰撞位移和碰撞力。但这种方法并未直接给出碰撞中心点的位置信息。本发明在前有发明的基础上，在非合作目标的相对速度、质量和体积等未知条件下，仅通过突变时刻可机动单元系绳拉力峰值来估计碰撞中心点。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种绳系飞网捕获非合作目标的碰撞中心估计方法，首先建立空间绳系飞网机器人系统动力学模型，接下来设计可机动单元系绳拉力观测器，然后计算碰撞时刻可机动单元拉力突变峰值，最后采用基于BP神经网络的算法估计碰撞中心点位置。本发明不依靠非合作目标相对速度、质量等信息，可以快速直接通过输入可机动单元系绳拉力精确估计碰撞中心点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

步骤1：建立空间绳系飞网机器人系统动力学模型；

空间绳系飞网机器人系统包括四个可机动单元；

空间绳系飞网机器人系统采用弹簧-质杆动力学模型，空间绳系飞网的每个系绳节点的质量表示为：

其中，i表示飞网中的节点,m_CM表示可机动单元质量，ρ是飞网绳段材料的密度，A是飞网绳段的横截面积，l是飞网中未伸长的网格边长；

飞网相邻质点间的系绳拉力矢量表示为：

其中，是从第i个节点到第j个节点的单位向量，r_i是飞网相邻质点间实际长度；F_i＝(k(l-l₀)+βkv)表示飞网相邻质点间的系绳拉力大小，l₀是每个飞网网格绳段的实际长度，k是飞网绳段的弹性系数，k＝EA/l₀，E是飞网绳段材料的杨氏模量，β是飞网绳段的阻尼系数，ξ是飞网绳段材料的阻尼比，ν是网格末节点所在轴向相对速度的映射；

根据牛顿第二定律得到飞网中每个质点的动力学方程为：

m_ia_i＝∑F_i+F_ext (3)

其中，a_i是质点运动加速度，∑F_i是每个质点系绳拉力之和，F_ext表示重力和碰撞力之和；

四个可机动单元的动力学模型为：