[发明专利]一种利用机械臂抑制航天器基座姿态干扰的方法

摘要

本发明公开了一种利用机械臂抑制航天器基座姿态干扰的方法，包括以下步骤：首先，根据空间机器人的构型建立其多体动力学模型，并在此基础上分析机械臂、天线与基座的动量守恒问题；其次，考虑任务优先级，基于动态平衡控制与零反作用空间理论，设计空间机械臂的轨迹以协调空间机械臂末端执行器任务和抑制卫星基座姿态干扰任务；最后，基于上述分析，设计空间机械臂闭环逆运动学控制，解决基座姿态抑制中由于误差积累逐渐增大的问题。结合动态平衡控制和零反作用空间的概念，通过构建运动学冗余机械臂的轨迹抑制其他转动机构引起的航天器基座姿态干扰的新方法。

主权项

一种利用机械臂抑制航天器基座姿态干扰的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，建立空间机器人系统的动力学模型：$\left[\begin{array}{ccc}{H}_b& H_{bm}& H_{ba}\\ H_{bm}^T& H_m& 0_{n\×2}\\ H_{ba}^T& 0_{2\×n}& H_a\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·\·}{x}}_b\\ \stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}\\ \stackrel{\·\·}{\mathrm{\φ}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{c}_b\\ c_m\\ c_a\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{f}_b\\ {\mathrm{\τ}}_m\\ {\mathrm{\τ}}_a\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{J}_b^T\\ J_e^T\\ 0_{2\×6}\end{array}\right]f_e;$其中H_b,H_m,H_a分别表示基座、机械臂和天线的惯量矩阵；H_bm,H_ba分别表示机械臂与基座，天线与基座之间的动力学耦合矩阵；c_b,c_m,c_a表示基座、机械臂、天线的科里奥利力和离心力；τ_m,τ_a分别表示机械臂、天线关节电机的控制力矩；f_b,f_e分别表示作用于基座与机械臂末端执行器的广义外力；J_b,J_e为基座和末端执行器的Jacobian矩阵；依据角动量守恒定律得到空间机器人系统的角动量为：其中I_s∈R^3×3为空间机器人的惯量矩阵,I_bm∈R^3×n和I_ba∈R^3×2为机械臂与基座、天线与基座的耦合惯量矩阵；步骤2，设计动态平衡状态下的机械臂关节轨迹，其中包括最小化姿态干扰的任务和同时考虑末端执行器任务以及最小化基座干扰任务两种情形；步骤3，设计机械臂关节速度的闭环逆运动学控制为：其中和分别表示末端执行器的位置和姿态偏差，为一个正定控制增益矩阵，δx_e为跟踪误差，其中K_P的各个元素值越大，δx_e的范数越小；并且根据步骤2中最小化姿态干扰的任务和同时考虑末端执行器任务以及最小化基座干扰任务两种不同的情形，结合上述闭环逆运动学控制设计机械臂关节运动轨迹。