[发明专利]一种空间绳系机器人三轴主动姿态控制方法

摘要

本发明提出了一种空间绳系机器人三轴主动姿态控制方法，根据空间绳系机器人的轨道动力学特性计算空间绳系机器人在平衡状态空间系绳应具有的标称张力，根据空间绳系机器人姿态运动学与动力学方程确定控制力矩变量，建立空间绳系机器人姿态动力学的状态方程和输出方程并根据反馈线性化控制规律计算出三个方向的姿态控制力矩，根据控制力矩与空间系绳连接点位置、反作用轮转速之间的关系得出相应的空间系绳连接点位置及反作用轮的转动角速度。该方法根据目标的姿态利用空间系绳及反作用轮对空间绳系机器人的姿态实施三轴姿态协调控制，适用于空间绳系机器人位于空间平台与地心连线时对空间绳系机器人的三轴姿态控制。

主权项

一种空间绳系机器人三轴主动姿态控制方法，其特征在于：采用以下步骤：步骤1：计算空间绳系机器人三个方向的姿态控制力矩u_x、u_y及u_z：$\left\{\begin{array}{c}{u}_x=-I_x(-\frac{I_r}{I_y}{x}_7{x}_4+(1-n_x)\mathrm{\Ω}{x}_6-n_x{\mathrm{\Ω}}^2{x}_1+\frac{I_r}{I_x}\mathrm{\Ω}{x}_7)+v_x\\ u_y=-I_y(\frac{I_r}{I_y}{x}_7{x}_2-\frac{I_r}{I_y}\mathrm{\Ω}{x}_7{x}_5)+v_y\\ u_z=-I_z((n_z-1)\mathrm{\Ω}{x}_2-n_z{\mathrm{\Ω}}^2{x}_5+\frac{\tan x_3}{\cos x_1{I}_z}{u}_x-\frac{\tan x_1}{I_z}{u}_y)+v_z\end{array}\right.$其中x₁＝φ、x₃＝θ、x₅＝ψ、x₇＝Ω_r，φ、θ及ψ为空间绳系机器人的三轴姿态角，I_x、I_y、I_z分别为空间绳系机器人转动惯量，Ω_r为反作用轮转动角速度，I_r为反作用轮的转动惯量，n_x和n_z为系数，Ω为空间绳系机器人的轨道角速度，$v_x={\stackrel{\·\·}{\mathrm{\φ}}}_d-k_1(\mathrm{\φ}-{\mathrm{\φ}}_d)-k_2(\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}-{\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}}_d),v_y={\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_d-k_3(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_d)-k_4(\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}-{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_d)$及$v_z={\stackrel{\·\·}{\mathrm{\ψ}}}_d-k_5(\mathrm{\ψ}-{\mathrm{\ψ}}_d)-k_6(\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}-{\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}_d),$φ_d、θ_d及ψ_d分别为空间绳系机器人的指令滚转角、指令俯仰角及指令偏航角，k₁、k₂、k₃、k₄、k₅及k₆为正值常数；步骤2：根据步骤1得到的空间绳系机器人三个方向的姿态控制力矩u_x、u_y及u_z，由公式$\left\{\begin{array}{c}{M}_x=u_x+M_{\mathrm{dx}}=-\sin \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\θT}{z}_L+\cos \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\θT}{y}_L+M_{\mathrm{dx}}\\ M_y=u_y+M_{\mathrm{dy}}=-\sin \mathrm{\θT}{z}_L-\cos \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\θT}{x}_L+M_{\mathrm{dy}}\\ M_z=-I_r{\stackrel{\·}{\mathrm{\Ω}}}_r+\frac{\tan \mathrm{\θ}}{\cos \mathrm{\φ}}{u}_x-\tan \mathrm{\φ}{u}_y+M_{\mathrm{dz}}\\ T=T_0-m_r\stackrel{\·\·}{l}\\ \stackrel{\·\·}{l}=|(-\cos \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\θ}{y}_L+\sin \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\θ}{z}_L)\stackrel{\·\·}{\mathrm{\φ}}+(\cos \mathrm{\θ}{x}_L+\sin \mathrm{\φ}\sin \mathrm{\θ}{y}_L+\cos \mathrm{\φ}\sin \mathrm{\θ}{z}_L)\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}\\ +\sin \mathrm{\θ}{\stackrel{\·\·}{x}}_L-\sin \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\θ}{\stackrel{\·\·}{y}}_L+(-\sin \mathrm{\θ}{x}_L+\sin \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\θ}{y}_L+\cos \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\θ}{z}_L){\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}^2\\ +(\sin \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\θ}{y}_L+\cos \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\θ}{z}_L){\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}}^2+2\cos \mathrm{\θ}\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}{\stackrel{\·}{x}}_L-2\cos \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\θ}{\stackrel{\·}{y}}_L\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}\\ +(2\cos \mathrm{\φ}\sin \mathrm{\θ}{y}_L-2\sin \mathrm{\φ}\sin \mathrm{\θ}{z}_L+2\sin \mathrm{\φ}\sin \mathrm{\θ})\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}+2\sin \mathrm{\φ}\sin \mathrm{\θ}{\stackrel{\·}{y}}_L\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}|\end{array}\right.$得到空间系绳连接点位置x_L、y_L及反作用轮的转动角速度Ω_r实现空间绳系机器人三轴姿态的主动控制；其中M_dx、M_dy和M_dz分别为空间绳系机器人三个轴向的干扰力矩，M_x、M_y和M_z为空间绳系机器人所受到的力矩，T为空间系绳上的张力，T₀为空间绳系机器人在平衡状态时，空间系绳应具有的标称张力，T₀＝3Ω²m_rlm_r空间绳系机器人的质量，l为空间系绳的长度；所述平衡状态指空间绳系机器人位于空间平台与地心连线上。