[发明专利]利用系绳推力器的空间非合作目标姿态联合接管控制方法

摘要

本发明公开了一种利用系绳推力器的空间非合作目标姿态联合接管控制方法，首先将控制指令和状态测量值通过式生成误差指令，然后在线实时更新控制器的部分参数，再利用姿态自适应控制律生成伪控制量：控制力矩。再将控制量的分配问题转化为鲁棒优化问题，将鲁棒优化问题转化为锥二次优化问题，并利用内点法求解，得到真实的控制量：推力和张力，最后分别驱动12个推力器和系绳张力，实现对非合作目标的姿态联合接管控制。

主权项

1.利用系绳推力器的空间非合作目标姿态联合接管控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建立空间非合作目标姿态接管控制模型，其具体方法为：以OT为空间非合作目标的质心，建立目标本体系OTXTYTZT，以OG为操作机构的质心，建立操作机构本体系OGXGYGZG，OC为系绳与操作机构的连接点；为简化建模过程，假设两个坐标系各坐标轴均相互平行，设操作机构质心OG在目标本体系OTXTYTZT下的坐标为XG＝[xG,yG,zG]；四组操作机构，共12个推力器呈“十”字安装；其中，第1组操作机构(4)与第2组操作机构(5)包含5个正交安装的推力器，第3组操作机构(6)与第4组操作机构(7)各为1个推力器；则12个推力器在操作机构本体系产生的推力及在操作机构本体系的作用点位置为：第一组：第二组：第三组及第四组：为简化建模过程，假设其方向不变且沿操作机构本体系‑x方向；因此，设系绳最大拉力为a5N，系绳拉力及作用点在操作机构本体系下表示为： 张力作用点张力约束系绳F₁₃＝[‑F_13x,0,0]X₅＝[x₅,y₅,z₅]0N≤F_13x≤a₅N由于操作对象为非合作目标，测量装置和执行机构均安装于空间绳系机器人的操作机构上，因此，在操作机构本体系下，建立空间非合作目标性的姿态动力学方程为：其中，J为目标转动惯量矩阵，ω为目标的角速度，×为叉乘算子，Td为干扰力矩，T＝Tc+Tt为控制力矩，Tc为推力器产生的控制力矩：Fi为第i个推力器对应的推力，i为推力器的标号，Tt为系绳产生的控制力矩：Tt＝(XG+X5)×F13   (3)则控制力矩T化简为：其中，D为控制量分配矩阵，F为执行器组成的列向量；利用修正罗德里格斯参数描述的目标姿态运动学方程为：其中，σ为目标的姿态修正罗德里格斯参数，I3为3×3的单位矩阵；设非合作目标的期望姿态为σd，期望角速度为ωd，则目标姿态误差动力学/运动学方程为：其中，σe为姿态误差，ωe为角速度误差，两者的表达式为：式(8)中，表示MRP乘法；2)设计非合作目标的姿态自适应接管控制律，其具体方法为：首先，定义辅助误差变量：s＝ωe+ασe，α≥0，则其中，L＝‑(ω)×J(ω)‑[J+αJG(σe)]ωd+Td+αJG(σe)ω；用||·||表示矢量的欧几里得范数，对||L||进行分析：由于ω_d有界；设外部扰动T_d的欧几里得范数满足||T_d||≤c_d0+c_d1||ω||²，c_d0和c_d1均为未知且非负的常数，则：||L||≤b0+b1||ω||+b2||ω||2   (10)其中，b0、b1和b2均为未知且非负的常数；然后，在此基础上，设计姿态自适应控制律：其中，k₁和k₂为设计的正常数，sgn(·)为符号函数，和分别是参数b₀、b₁和b₂的估计值，其在线更新律为：c0、c1和c2为设计的正常数；最后，进行稳定性证明：选择：其中，对式(13)两边求导，得：将式(9)～(12)带入上式，并化简，得：因此，在控制律式(11)及参数自适应律式(12)的控制下，系统一致渐近稳定；3)接管控制力矩的鲁棒分配，其具体方法为：由于控制力矩由推力和系绳张力共同实现，且推力与张力均为严格受限，则：设a＝[a1 a1 a2 a3 a3 a1 a1 a2 a3 a3 a4 a4 a5]，0为13×1的零矩阵；式(15)表示为：0≤F≤a；利用鲁棒分配方法将步骤2)计算的控制力矩T分配到真实的控制执行量，即12个推力器的推力和系绳张力上，具体方法如下：3‑1)以燃料消耗最少为目标函数，将控制分配问题转化为以下的鲁棒优化问题；目标函数：min([1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0]F)＝min(WTF)；约束：T＝DF，0≤F≤a；令将等式约束转化为不等式约束；约束：HF≥N，0≤F≤a；利用鲁棒优化理论，将优化问题重写为：其中，hi为包含不确定性的矩阵H的第i行，且在不确定集Ξi中取值；不确定集Ξi可用椭球不确定性描述，即：表示由测量或辨识得到的各行的标称值，Θ_i为与不确定性分布相关的对称正定或半正定矩阵，u_i为与不确定性相关的列向量，ρ为不确定性的欧几里得范数的上界；3‑2)利用椭球不确定性的特点，利用式(17)化简式(16)，并利用min(xTΘui)＝‑ρ||Θx||将鲁棒优化问题转化为最优化问题：最后，利用内点法求解上述最优化问题。