[发明专利]空间绳系机器人抓捕挠性目标卫星后的姿态接管控制方法

摘要

本发明涉及一种空间绳系机器人抓捕挠性目标卫星后的姿态接管控制方法，考虑到惯量不确定性、耦合效应、外部干扰等因素建立了复合体姿轨耦合动力学方程，设计内外环终端滑模控制器，并考虑了推力器和系绳的饱和特性对复合体姿态和角速度进行稳定控制。首先：建立空间绳系机器人抓捕目标卫星后复合体的姿态动力学方程；设计内外环终端滑模控制器和相应的自适应律；以内环控制律和外环控制律作为控制系统的输入进行挠性目标卫星捕获后的姿态接管控制。并进行Lyapunov稳定性证明，可用于解决挠性复合体参数不确定和空间绳系机器人自带推力器饱和问题。

主权项

1.一种空间绳系机器人抓捕挠性目标卫星后的姿态接管控制方法，其特征在于步骤如下：步骤1、建立空间绳系机器人抓捕挠性目标后跟踪误差姿态动力学方程：其中，ω＝[ω₁ ω₂ ω₃]^T∈R³，ω₁,ω₂和ω₃为复合体绝对角速度在本体坐标系下的分量；J∈R^3×3为复合体转动惯量的名义值；ω_d为期望的姿态角速度；为总干扰力矩；τ为空间绳系机器人的控制力矩；ω^×为角速度ω的反对称矩阵；ΔJ为转动惯量的不确定量；T_L∈R^3×1为系绳摆动力矩；角速度跟踪误差ω_e＝ω‑R(σ_e)ω_d；所述ω_e＝ω‑R(σ_e)ω_d中，R(σ_e)＝R(σ)[R(σ_d)]^T，σ＝[σ₁ σ₂ σ₃]^T∈R³为修正的罗德里格参数表示,σ_d为期望的修正罗德里格数，E₃为3阶单位矩阵；所述中，δ∈R^3×N为挠性部件与刚性体之间的耦合系数；Λ为挠性部件模态振型频率；Λ²＝diag{Λ₁²,…,Λ_N²}为挠性部件的刚度矩阵；ξ为挠性模态阻尼系数，2ξΛ＝diag{2ξ₁Λ₁,…,2ξ_NΛ_N}为挠性部件的阻尼矩阵，N为所考虑的挠性部件模态阶数；η∈R^N为挠性部件模态坐标；为外部干扰力矩，包括太阳光压力、地球重力梯度的扰动影响；步骤2、内外环终端滑模控制器和相应的自适应律设计：1、内环快速终端滑模面：其中，z₂＝ω_e‑ω_c‑χ₂，χ₂为指令滤波中设计的变量；K₁＝diag{k₁₁,k₁₂,k₁₃},K₂＝diag{k₂₁,k₂₂,k₂₃}为待设计参数，且满足k_1i＞0,k_2i＞0(i＝1,2,3)，S_In＝[S_In1,S_In2,S_In3]^T，|z₂|^psign(z₂)＝[|z₂₁|^psign(z₂₁),|z₂₂|^psign(z₂₂),|z₂₃|^psign(z₂₃)]^T，0.5＜p＜1，sign(ω_e)为符号函数，ω_c为滤波器处理前的虚拟控制信号；内环控制律：τ＝τ_norm+τ_com，其中，其中，τ_norm∈R³为标称控制量，用来消除标称量(‑ω^×Jω+(J+δδ^T)ω_e^×ω)，τ_com∈R³为补偿控制量，主要用于提高系统鲁棒性，消除因惯量、扰动、耦合的作用而引起的系统不确定项，从而保证控制系统状态能够到达滑模面；0＜γ≤ε，ε为足够小实数；参数自适应律满足r，h和ζ为实常数，a₁和a₂为待设计的对称正定矩阵，α为系绳面内角；2、外环快速终端滑模面：其中，z₁＝σ_e‑χ₁，χ₁为指令滤波中设计的变量；D₁＝diag{d₁₁,d₁₂,d₁₃}，D₂＝diag{d₂₁,d₂₂,d₂₃}为待设计参数，且满足d_1i＞0,d_2i＞0(i＝1,2,3)，S_Ou＝[S_Ou1,S_Ou2,S_Ou3]^T，|z₁|^qsign(z₁)＝[|z₁₁|^qsign(z₁₁),|z₁₂|^qsign(z₁₂),|z₁₃|^qsign(z₁₃)]^T，0.5＜q＜1，sign(z₁)为符号函数，外环控制律其中，a₁和η为待设计的参数，步骤3：以内环控制律τ＝τ_norm+τ_com和外环控制律作为控制系统的输入进行挠性目标卫星捕获后的姿态接管控制，并进行稳定性证明；步骤4：设计带压电陶瓷驱动器的挠性航天器的振动抑制控制器控制η，当角加速度时，挠性航天器的振动抑制控制器生效，挠性航天器振动抑制控制器设计为式中，F为正常数，u_p为压电层电压输入值，δ₁为挠性部分和压电层驱动器之间的耦合系数。