空间绳系机器人系统逼近目标协调控制方法

摘要

本发明涉及一种空间绳系机器人系统逼近目标协调控制方法，首先根据目标与操作机器人初始相对位置及最终理想逼近位置给出整个逼近过程中的优化控制指标，利用高斯伪谱法得出这个过程中离散控制点处目标轨道坐标系O_t-xyz下x、y及z轴三个方向的理想离散控制力；然后利用Hermite插值法内插得到操作机器人逼近目标过程中x、y及z轴三个方向理想连续控制力；分析空间系绳仅能提供拉力的特性，以推力器上消耗燃料最少为优化指标利用模拟退火算法将理想连续控制力优化分配给操作机器人自带推力器及空间系绳；最后，空间系绳提供拉力的同时产生的姿态干扰通过操作机器人上自带反作用轮利用时间延迟算法进行抑制和稳定。

主权项

1.一种空间绳系机器人系统逼近目标协调控制方法，其特征在于：空间绳系机器人系统是空间机动平台、空间系绳和操作机器人构成，控制步骤如下：步骤1：利用高斯伪谱法得出在目标轨道坐标系O_t-xyz下x、y及z轴三个方向操作机器人逼近目标时的理想轨道控制加速度组成的操作机器人相对目标轨道动力学方程：$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{··}{x}-2\omega \stackrel{·}{z}=a_x\\ \stackrel{··}{y}+{\omega }^{2}y=a_y\\ \stackrel{··}{z}+2\omega \stackrel{·}{x}-3{\omega }^{2}z=a_z\end{array}\right.$其中：$X\left(t\right)={\left[\begin{array}{cccccc}x& y& z& \stackrel{·}{x}& \stackrel{·}{y}& \stackrel{·}{z}\end{array}\right]}^T$为状态变量，x、y及z分别表示操作机器人在目标轨道坐标系O_t-xyz下x、y及z轴三个方向的位置，及分别表示操作机器人在目标轨道坐标系O_t-xyz下x、y及z轴三个方向的速度，U_o(t)＝[a_x a_y a_z]^T为控制变量，m为操作机器人的质量，t∈[t₀,t_f]为操作机器人逼近时间，ω为目标轨道角速度；步骤2：利用改进型非劣分类遗传算法将高斯伪谱法得出的操作机器人在轨道坐标系O_t-xyz下的理想控制力F_x、F_y及F_z分配到空间系绳和操作机器人自带推力器上：J_f1＝w₁F_x′+w₂F_y′+w₃F_z′J_f2＝w₄T_tx′+w₅T_ty′+w₆T_tz′其中：J_f1为对控制力进行分配时的第一优化指标，J_f2为对控制力进行分配时的第二优化指标；w₁、w₂及w₃为第一优化指标内权重系数，且w₁+w₂+w₃＝1，w₁∈(0,1)，w₂∈(0,1)，w₃∈(0,1)，F_x′、F_y′与F_z′为理想控制力优化分配后在目标轨道坐标系x、y和z方向推力器所需提供的控制力；w₄、w₅及w₆为第二优化指标内权重系数，且w₄+w₅+w₆＝1，w₄∈(0,1)，w₅∈(0,1)，w₆∈(0,1)，T_tx′、T_ty′及T_tz′分别为空间系绳提供拉力时对操作机器人产生的目标轨道坐标系x、y和z方向的姿态干扰力矩；所述T_tx′、T_ty′及T_tz′为T′＝[T_tx′ T_ty′ T_tz′]^T，根据T′＝-l^×F_t′求得，其中$l^{\times }=\left[\begin{array}{ccc}0& -{l_z}^{\prime }& {l_y}^{\prime }\\ {l_z}^{\prime }& 0& -{l_x}^{\prime }\\ -{l_y}^{\prime }& {l_x}^{\prime }& 0\end{array}\right],$l_x′,l_y′和l_z′分别为空间系绳与操作机器人的连接点距离操作机器人本体质心相对位置在本体坐标系下x、y和z方向的距离，F′为目标轨道坐标系O_t-xyz上优化分配到空间系绳上的力矢量；以指标J_f1和J_f2最小为优化目标利用改进性非劣分类遗传多目标优化算法进行优化分配，得到一组Pareto最优解，以J_f1指标为先的原则在其中选择一个解完成理想控制力的优化分配；步骤3：采用协调姿态稳定算法利用操作机器人上的反作用轮抑制空间系绳拉力对操作机器人产生的姿态干扰：$U_a=U_a(t-T)+I^c[\frac{2\stackrel{·}{Q}{\left(Q^{\times }\right)}^{-}(Q\to Q_d)-{\omega }_c}{t_2}-{\stackrel{·}{\omega }}_c(t-T)]+{{\omega }_c}^{\times }\left(t\right)[I^c{\omega }_c\left(t\right)$$+R^w{\omega }_c\left(t\right)+R^w\Omega \left(t\right)]-{{\omega }_c}^{\times }(t-T)[I^c{\omega }_c(t-T)+R^w{\omega }_c(t-T)+R^w\Omega (t-T)]$其中T为控制周期，U_a(t-T)为前一控制周期的姿态控制量，I^c为操作机器人的惯量矩阵，Q＝[q₀ q₁ q₂ q₃]^T为操作机器人的姿态四元数，Q_d为操作机器人期望姿态四元数，$Q^{\times }=\left[\begin{array}{ccc}-q_1& -q_2& -q_3\\ q_0& -q_3& q_2\\ q_3& q_0& -q_1\\ {-q}_2& q_1& q_0\end{array}\right]$为姿态矩阵，ω_c＝[ω_cx ω_cy ω_cz]^T为操作机器人转动角速度，ω_cx、ω_cy及ω_cz为操作机器人转动角速度在本体坐标系下x、y及z轴向的分量，ω_c(t-T)为前一周期操作机器人转动角速度，${{\omega }_c}^{\times }=\left[\begin{array}{ccc}0& -{\omega }_{\mathrm{cz}}& {\omega }_{\mathrm{cy}}\\ {\omega }_{\mathrm{cz}}& 0& -{\omega }_{\mathrm{cx}}\\ -{\omega }_{\mathrm{cy}}& {\omega }_{\mathrm{cx}}& 0\end{array}\right]$为转动角速度矩阵，为反作用轮的惯量矩阵，及分别为安装在本体坐标系下x、y及z轴上的反作用轮的转动惯量，Ω＝[Ω₁ Ω₂ Ω₃]^T为反作用轮相对于操作机器人本体的转动角速度，Ω₁、Ω₂及Ω₃分别为安装在本体坐标系下x、y及z轴上的反作用轮的转速，${{\omega }_c}^{\times }(t-T)=\left[\begin{array}{ccc}0& -{\omega }_{\mathrm{cz}}(t-T)& {\omega }_{\mathrm{cy}}(t-T)\\ {\omega }_{\mathrm{cz}}(t-T)& 0& -{\omega }_{\mathrm{cx}}(t-T)\\ -{\omega }_{\mathrm{cy}}(t-T)& {\omega }_{\mathrm{cx}}(t-T)& 0\end{array}\right]$为前一周期的转动角速度矩阵，Ω(t-T)＝[Ω₁(t-T) Ω₂(t-T) Ω₃(t-T)]^T为前一控制周期反作用轮相对于操作机器人本体的转动角速度，t₁、t₂为时间常数且t₁＜t₂。