一种空间绳系机器人目标抓捕后复合体姿态协调控制方法

摘要

本发明涉及一种空间绳系机器人目标抓捕后复合体姿态协调控制方法，引进了系绳拉力，设计了系绳拉力和推力器的协调姿态控制方法，首先设计了利用系绳拉力和推力器进行协调控制方法;然后考虑到利用系绳进行姿态控制的局限性，设计了仅仅利用推力器进行姿态控制协调控制方法，最后设计了控制器的切换控制方法，进行协调姿态控制。

主权项

一种空间绳系机器人目标抓捕后复合体姿态协调控制方法，其特征在于步骤如下：步骤1：针对空间绳系机器人目标抓捕后复合体姿态协调控制，设计两种控制器：系绳和推力器协调控制器：系绳控制力矩为对俯仰角和偏航角进行控制；其中：T_l为系绳控制力矩，R为平台本体坐标系到目标本体坐标系之间的转换矩阵，d为抓捕点在复合体本体坐标系下位置矢量，×为叉乘算子；x、y和z为复合体质心三个位置分量；所述其中：σ修正罗德里格参数，I₃为3×3单位向量，σ^×为矢量叉乘运算的反对称矩阵${\sigma }^{\times }=\left(\begin{array}{ccc}0& -{\sigma }_3& {\sigma }_2\\ {\sigma }_3& 0& -{\sigma }_1\\ -{\sigma }_2& {\sigma }_1& 0\end{array}\right),$σ^T为σ的转置向量；所述x、y和z为复合体质心三个位置分量由复合体轨道动力学方程$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{··}{x}-2n\stackrel{·}{z}=a_x+a_{\mathrm{tx}}\\ \stackrel{··}{y}+n^{2}y=a_y+a_{\mathrm{ty}}\\ \stackrel{··}{z}+2n\stackrel{·}{x}-3n^{2}z=a_z+a_{\mathrm{tz}}\end{array}\right.$得到，其中：a_x、a_y和a_z为空间绳系机器人自身控制力产生的加速度，a_tx、a_ty和a_tz为系绳拉力产生的加速度，n为轨道平均角速度；系绳拉力F_l＝(k_pl+k_dls)η，其中：k_pl、k_dl分别为比例微分系数，s为复变量，η为d和系绳拉力矢量F之间的夹角；滚转角的推力器控制力矩T_c(1)＝k_pφ_e+k_dω_ex，k_p和k_d分别为比例和微分参数，φ_e为滚转角，ω_ex为角速度误差ω_e的第一个分量利用全推力器进行姿态控制的控制器：控制器为其中：T_c为空间绳系机器人自身姿态控制机构的控制力矩，ω为空间绳系机器人相对于惯性坐标系空间角速度在本体坐标系下的分量，ω由动力学/运动学方程$\left\{\begin{array}{c}J\stackrel{·}{\omega }=-{\omega }^{\times }\mathrm{J\omega }+T_c+T_l\\ \stackrel{·}{\sigma }=G\left(\sigma \right)\omega \end{array}\right.$得到，和分别是ω和修正罗德里格参数σ的对时间的导数，J为空间绳系机器人的正定对称的转动惯量矩阵，ω^×为矢量叉乘运算的反对称矩阵；所述${\omega }^{\times }=\left(\begin{array}{ccc}0& -{\omega }_3& {\omega }_2\\ {\omega }_3& 0& -{\omega }_1\\ -{\omega }_2& {\omega }_1& 0\end{array}\right),$ω₁、ω₂和ω₃为ω的三个分量，所述T_c有不等式约束：|T_c|≤|T_cmax|，其中：T_l为系绳产生的控制力矩，G(σ)定义如下：I为3×3单位向量；ω_d为本体系下期望角速度；姿态跟踪误差σ_e和角速度误差ω_e由误差动力学方程$\left\{\begin{array}{c}J{\stackrel{·}{\omega }}_e+J{\stackrel{·}{\omega }}_d+{\omega }^{\times }\mathrm{J\omega }=T_c\\ {\stackrel{·}{\sigma }}_e=G\left({\sigma }_e\right){\omega }_e\end{array}\right.$得到，和分别为ω_e、σ_e和ω_d对时间的导数；s＝ω_e+cσ_e为滑动超平面，参数c＞0；步骤2：当两种控制器的使用切换条件：$\left\{\begin{array}{c}\left|\psi \right|\le {\psi }_s\\ \left|\theta \right|\le {\theta }_s\end{array}\right.$同时满足时，控制器从系绳和推力器协调控制器切换到仅利用全推力器进行姿态控制的控制器，ψ为俯仰角角度，θ为偏航角角度，ψ_s、θ_s为设置的控制器切换时的俯仰角和偏航角角度；实现了对抓捕后复合体的姿态控制。