面向空間繩系機(jī)器人的目標(biāo)逼近過(guò)程魯棒規(guī)劃控制方法
【專利說(shuō)明】面向空間繩系機(jī)器人的目標(biāo)逼近過(guò)程魯棒規(guī)劃控制方法 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明隸屬于航天器控制技術(shù)研究領(lǐng)域，涉及到一種空間繩系機(jī)械臂抓捕目標(biāo)逼 近控制方法，該控制方法可以廣泛應(yīng)用于空間繩系機(jī)械臂目標(biāo)抓捕控制中。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 空間繩系機(jī)器人在失控衛(wèi)星捕獲，太空垃圾清理，輔助變軌，在軌維修，在軌組裝， 等方面可以發(fā)揮獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。對(duì)目標(biāo)的逼近過(guò)程的控制作為其關(guān)鍵技術(shù)是對(duì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)成功 抓捕的關(guān)鍵。
[0003] 空間繩系機(jī)械人對(duì)目標(biāo)逼近控制需考慮逼近過(guò)程中的軌道控制以及姿態(tài)穩(wěn)定，對(duì) 于空間繩系機(jī)械人，系繩可以為控制任務(wù)提供控制力和控制力矩，因而系繩的參與可以在 一定程度上減輕推力器的任務(wù)壓力，有助于節(jié)省空間機(jī)械人的能源消耗。而采用系繩和推 力器協(xié)調(diào)對(duì)空間機(jī)械人軌道進(jìn)行控制時(shí)，主要存在如下幾個(gè)問(wèn)題：首先是系繩張力容易對(duì) 空間機(jī)械人帶來(lái)力矩，進(jìn)而對(duì)姿態(tài)的穩(wěn)定帶來(lái)干擾。而若采用姿態(tài)控制裝置對(duì)該干擾進(jìn)行 補(bǔ)償，無(wú)疑會(huì)帶來(lái)新的能源消耗。因而對(duì)于以能源消耗最小為重要指標(biāo)的逼近任務(wù)，故僅考 慮逼近過(guò)程軌道控制中推力器的能源消耗，而不將其帶來(lái)的額外姿態(tài)穩(wěn)定控制能源消耗考 慮在內(nèi)是不合理的。其次，由于需要達(dá)到一定范圍的接觸條件才能保證捕獲成功，因此在 對(duì)目標(biāo)的逼近過(guò)程中的任何軌道偏差都有可能使最后的條件不能滿足該接觸條件，進(jìn)而導(dǎo) 致抓捕失敗甚至碰撞。而導(dǎo)致軌道偏差的因素主要有：模型偏差，軌道攝動(dòng)，導(dǎo)航偏差，系 繩張力矢量偏差，推進(jìn)器矢量偏差，和推進(jìn)器故障。由于抓捕任務(wù)持續(xù)時(shí)間較短，且只考慮 抓捕機(jī)器人與目標(biāo)航天器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因而軌道攝動(dòng)對(duì)該任務(wù)的影響十分有限可以忽略不 計(jì)。推進(jìn)器故障屬于硬件故障，將對(duì)該任務(wù)產(chǎn)生很大影響，但任務(wù)期間硬件故障的發(fā)生是偶 然性事件，不帶有必然性，因而不在本文考慮范圍。導(dǎo)航偏差主要包括位置，線速度，姿態(tài)， 角速度等的測(cè)量偏差，主要原因是敏感器的安裝誤差以及測(cè)量性能的局限性。系繩張力矢 量偏差主要包括張力大小以及方向的偏差，張力持續(xù)時(shí)間偏差，主要原因是系繩釋放機(jī)構(gòu) 的不敏感性以及系繩矢量方向測(cè)量或計(jì)算偏差。推進(jìn)器矢量偏差主要包括推力大小以及方 向的偏差，推力持續(xù)時(shí)間偏差，空間機(jī)械臂質(zhì)量偏差。以上這些不確定因素和偏差對(duì)任務(wù)的 影響是巨大的，充分考慮這些因素進(jìn)行對(duì)于抓捕任務(wù)的成功執(zhí)行具有很大意義。因而有必 要對(duì)繩系機(jī)器人逼近軌跡規(guī)劃提出一種考慮不確定性的規(guī)劃方法來(lái)降低任務(wù)對(duì)這些不確 定性的敏感性，并提高方案的可靠性。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0004] 提出一種繩系機(jī)器人可移動(dòng)系繩點(diǎn)的控制方法，通過(guò)對(duì)系繩點(diǎn)的空間位置進(jìn)行控 制大幅度降低甚至消除系繩張力對(duì)空間繩系機(jī)器人的力矩，進(jìn)而降低甚至消除了系繩張力 對(duì)繩系機(jī)器人產(chǎn)生的姿態(tài)干擾。此時(shí)僅需考慮逼近過(guò)程軌道控制中推力器的能源消耗最小 就可以得到能源消耗最小的逼近任務(wù)執(zhí)行方案。提出一種考慮不確定性的繩系機(jī)器人逼近 目標(biāo)規(guī)劃方法，采用推力器和系繩對(duì)繩系機(jī)器人進(jìn)行控制，考慮導(dǎo)航偏差，系繩張力矢量偏 差，推進(jìn)器矢量偏差等不確定因素，建立繩系機(jī)器人逼近目標(biāo)不確定規(guī)劃模型，并采用粒子 群優(yōu)化算法進(jìn)行求解，得到帶有魯棒性的空間繩系機(jī)器人控制方案。
[0005] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案包括以下步驟：
[0006] 1)空間繩系機(jī)械人可移動(dòng)系繩點(diǎn)控制
[0007] 在空間繩系機(jī)器人的后端面設(shè)置有a、b、c、d為四個(gè)系繩收放口，通過(guò)內(nèi)部系繩控 制電機(jī)對(duì)系繩長(zhǎng)度進(jìn)行控制，四條系繩l a、lb、1。、^連接于空間中點(diǎn)t，并且該點(diǎn)與平臺(tái)連 接的系繩相連，繩系機(jī)器人質(zhì)心O b在后端面的投影為〇' b;在逼近過(guò)程中，通過(guò)對(duì)I a、lb、1。、 Id四條系繩的長(zhǎng)度調(diào)整，控制t點(diǎn)在空間中的位置；平臺(tái)位于點(diǎn)P ;
[0008] 使〇b，t, P三點(diǎn)共線，即：％ =義好;建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)：
[0009]
[0010] s. t.
[0011]
[0012] 采用優(yōu)化算法進(jìn)行求解得到λ = λ%則則四個(gè)系繩收放口 a、b、c、d 據(jù)此對(duì)系繩長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整，其中收放口 a釋放/收回系絹
釋放，
為收回），其他三個(gè)系繩收放口與收放口 a相同；
[0013] 2)建立空間繩系機(jī)械人相對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)不確定動(dòng)力學(xué)模型
[0014] 當(dāng)目標(biāo)和繩系機(jī)器人運(yùn)行在近圓軌道時(shí)，通過(guò)C-W方程描述二者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其 狀態(tài)空間模型為：
[0015]
[0016] 為推力器提供的速度脈沖
為與系繩拉力等效的速度脈沖，T 為控制周期；
[0017]
[0018] 設(shè)任務(wù)要求在NT時(shí)間內(nèi)完成，則將其離散為N個(gè)時(shí)間區(qū)間，則該離散系統(tǒng)的離散 形式為：
[0019]
[0020]
[0021] 根據(jù)末端約束條件：
[0022]
[0023]
[0024] 推力器推力在大小和方向上存在偏差：
[0025]
[0026]
[0027] 系繩張力矢量在大小和方向上存在偏差：
[0028]
[0029]
[0030] 則進(jìn)一步得到末端約束條件：
[0031]
[0032]
[0033] 則空間繩系機(jī)械人相對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)不確定動(dòng)力學(xué)模型為：
[0034]
[0035]
[0036]
[0037]
[0038]
[0039]
[0040] CN 105159315 A VL 4/6 貝
[0041]
[0042] 3)模型求解
[0043] 采用優(yōu)化算法對(duì)步驟2)得到的空間繩系機(jī)械人相對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)不確定動(dòng)力學(xué)模型 進(jìn)行求解，得到滿足條件的控制向量AV以及Δ，。
[0044] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：
[0045] 本發(fā)明首先設(shè)計(jì)空間繩系機(jī)械人可移動(dòng)系繩點(diǎn)控制方法，計(jì)算出期望系繩點(diǎn)空間 位置，然后通過(guò)系繩控制機(jī)構(gòu)對(duì)系繩進(jìn)行回收或釋放使得系繩點(diǎn)達(dá)到期望位置，從而實(shí)現(xiàn) 在系繩參與繩系機(jī)器人軌道控制情況下，消除系繩對(duì)姿態(tài)的干擾，保證姿態(tài)的穩(wěn)定，避免需 要額外控制姿態(tài)帶來(lái)的能量消耗。其次考慮了繩系機(jī)器人軌道控制階段自身敏感器，系繩 機(jī)構(gòu)以及推力器等具有的不確定性因素，建立了繩系機(jī)器人對(duì)目標(biāo)逼近的魯棒規(guī)劃模型， 使得規(guī)劃出的逼近方案對(duì)這些不確定因素的敏感性大大降低，并且大大提高了逼近方案的 可靠性。 【【附圖說(shuō)明】】
[0046] 圖1系繩控制機(jī)構(gòu)的示意圖
[0047] 其中，Ob為繩系機(jī)器人質(zhì)心，0'，為Ob在后端面的投影，P為平臺(tái)，t為可移動(dòng)系繩 點(diǎn)，a、b、c、d為四個(gè)系繩收放口。 【【具體實(shí)施方式】】
[0048] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述：
[0049] 參見(jiàn)圖1，本發(fā)明包括以下步驟：
[0050] 首先，空間繩系機(jī)械人可移動(dòng)系繩點(diǎn)控制：
[0051] 確定平臺(tái)在空間繩系機(jī)器人本體坐標(biāo)系下的位置P，則?if代表系繩矢量。確定繩 系機(jī)器人質(zhì)心Ob在后端面的投影為0' b，當(dāng)前系繩控制機(jī)構(gòu)繩長(zhǎng)為la、lb、1。、Id。并且分別 確定矢量〇"，0決:，A-c..，： 〇;,魏。
[0052] 則問(wèn)題轉(zhuǎn)化為優(yōu)化問(wèn)題：
[0053]
[0054] s. t.
[0055]
[0056] 采用優(yōu)化算法可以輕易求解得到λ = \%則$ =，戌7,則四個(gè)系繩收放口 a、 b、c、d可以據(jù)此對(duì)系繩長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整，其中收放口 a釋放/收回系繩p|_p| (其中當(dāng) 7卜戶|>&時(shí)為釋放，當(dāng)卟Pi<0為收回）。其他三個(gè)系繩收放口同理故不再贅述。
[0057] 然后，建立空間繩系機(jī)械人相對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)不確定動(dòng)力學(xué)模型
[0058] 根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特性確定參數(shù)β ^ β 2, λ k，μ k，F(xiàn)lniax,
[0059] 確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)離散化線性方程：
[0060] X(k) = AX(k-l)+BUk !
[0061] K時(shí)刻系統(tǒng)的狀態(tài)為：
[0062]
[0063] 則可以確定末端約束為：
[0064]
[0065]
[0066] 將系統(tǒng)各項(xiàng)不確定性考慮在內(nèi)則該末端約束可以轉(zhuǎn)化為：
[0067]
[0068] 則問(wèn)題轉(zhuǎn)化為：
[0069]
[0070]
[0071]
[0072]
[0073]
[0074]
[0075] 利用粒子群算法對(duì)上述目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，步驟為：
[0076] (1)初始化，產(chǎn)生M個(gè)粒子，每個(gè)粒子6*N維，分別對(duì)應(yīng)推力器控制量和系繩控制 量。
[0077] (2)計(jì)算目標(biāo)函數(shù)，以當(dāng)前粒子中目標(biāo)函數(shù)最小者為全局最優(yōu)粒子，以 當(dāng)前粒子為個(gè)體最優(yōu)粒子。
[0078] (3)按照粒子更新公式對(duì)種群中粒子進(jìn)行更新，產(chǎn)生新一代粒子；
[0079] (4)對(duì)新一代的種群按照目標(biāo)函數(shù)./(Δν.ΔΑ進(jìn)行評(píng)價(jià)。更新全局最優(yōu)粒子和個(gè)體 最優(yōu)粒子。
[0080] (5)達(dá)到最大迭代次數(shù)，輸出全局最優(yōu)粒子，算法結(jié)束。
[0081] 以上內(nèi)容僅為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按 照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明權(quán)利要求書(shū) 的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.面向空間繩系機(jī)器人的目標(biāo)逼近過(guò)程魯棒規(guī)劃控制方法，其特征在于，包括以下步 驟： 1) 空間繩系機(jī)械人可移動(dòng)系繩點(diǎn)控制 在空間繩系機(jī)器人的后端面設(shè)置有a、b、c、d為四個(gè)系繩收放口，通過(guò)內(nèi)部系繩控制電 機(jī)對(duì)系繩長(zhǎng)度進(jìn)行控制，四條系繩la、lb、1。、^連接于空間中點(diǎn)t，并且該點(diǎn)與平臺(tái)連接的 系繩相連，繩系機(jī)器人質(zhì)心Ob在后端面的投影為0' b;在逼近過(guò)程中，通過(guò)對(duì)I a、lb、1。、^四 條系繩的長(zhǎng)度調(diào)整，控制t點(diǎn)在空間中的位置；平臺(tái)位于點(diǎn)P ; 使0b，t，P三點(diǎn)共線，即：刃=從及;建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)：采用優(yōu)化算法進(jìn)行求解得到λ= λ%則^7 = '戌7>，則四個(gè)系繩收放口 a、b、c、d據(jù)此 對(duì)系繩長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整，其中收放口 a釋放/收回系繩卜_I_p|| (其中當(dāng)卟卟。時(shí)為釋放， 當(dāng)p|<〇為收回），其他三個(gè)系繩收放口與收放口 a相同； 2) 建立空間繩系機(jī)械人相對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)不確定動(dòng)力學(xué)模型 當(dāng)目標(biāo)和繩系機(jī)器人運(yùn)行在近圓軌道時(shí)，通過(guò)C-W方程描述二者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其狀態(tài) 空間模型為：為推力 器提供的速度脈沖：為與系繩拉力等效的速度脈沖，T為控制 周期；設(shè)任務(wù)要求在NT時(shí)間內(nèi)完成，則將其離散為N個(gè)時(shí)間區(qū)間，則該離散系統(tǒng)的離散形式 為： X(k) =AX (k-1)+BUkl CN 10blb931b A ?丨入 ^ u 2/3 貝根據(jù)末端約束條件：推力器推力在大小和方向上存在偏差：系繩張力矢量在大小和方向上存在偏差：則進(jìn)一步得到末端約束條件：其中 y = |/^ΦΜ^Δ?φ ? = \ΗτΦΒΜ]; 則空間繩系機(jī)械人相對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)不確定動(dòng)力學(xué)模型為：3)模型求解 采用優(yōu)化算法對(duì)步驟2)得到的空間繩系機(jī)械人相對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)不確定動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行 求解，得到滿足條件的控制向量AV以及
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種面向空間繩系機(jī)器人的目標(biāo)逼近過(guò)程魯棒規(guī)劃控制方法，首先設(shè)計(jì)空間繩系機(jī)械人可移動(dòng)系繩點(diǎn)控制方法，計(jì)算出期望系繩點(diǎn)空間位置，然后通過(guò)系繩控制機(jī)構(gòu)對(duì)系繩進(jìn)行回收或釋放使得系繩點(diǎn)達(dá)到期望位置，從而實(shí)現(xiàn)在系繩參與繩系機(jī)器人軌道控制情況下，消除系繩對(duì)姿態(tài)的干擾，保證姿態(tài)的穩(wěn)定，避免需要額外控制姿態(tài)帶來(lái)的能量消耗。其次考慮了繩系機(jī)器人軌道控制階段自身敏感器，系繩機(jī)構(gòu)以及推力器等具有的不確定性因素，建立了繩系機(jī)器人對(duì)目標(biāo)逼近的魯棒規(guī)劃模型，使得規(guī)劃出的逼近方案對(duì)這些不確定因素的敏感性大大降低，并且大大提高了逼近方案的可靠性。
【IPC分類】G05D1/10
【公開(kāi)號(hào)】CN105159315
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510551771
【發(fā)明人】黃攀峰, 胡永新, 孟中杰, 劉正雄, 王東科
【申請(qǐng)人】西北工業(yè)大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年12月16日
【申請(qǐng)日】2015年9月1日