一種空間繩系機器人目標(biāo)抓捕穩(wěn)定控制方法
【專利說明】-種空間繩系機器人目標(biāo)抓捕穩(wěn)定控制方法 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于航天器控制技術(shù)研究領(lǐng)域，具體設(shè)及一種空間繩系機器人目標(biāo)抓捕穩(wěn) 定控制方法。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 空間繩系機器人由于其靈活、安全、燃料消耗低等特點，在空間在軌服務(wù)中有著廣 泛的作用，可W進行失效衛(wèi)星救助、太空垃圾清理、輔助變軌等操作。
[0003] 根據(jù)空間繩系機器人的任務(wù)流程，可W分為釋放、逼近目標(biāo)、目標(biāo)抓捕、目標(biāo)抓捕 后穩(wěn)定和目標(biāo)捕獲后操作五個階段，其中目標(biāo)抓捕穩(wěn)定控制是空間繩系機器人的主要研究 之一?？臻g繩系機器人逼近至目標(biāo)抓捕位置附近，需要合猶操作手爪對目標(biāo)進行抓捕，運是 空間繩系機器人的核屯、任務(wù)之一。目標(biāo)抓捕過程中，由于操作手爪合猶速度、與目標(biāo)之間的 相對線速度和相對角速度等因素，可能導(dǎo)致整個抓捕過程由于碰撞而變得不穩(wěn)定，甚至?xí)?導(dǎo)致待抓捕目標(biāo)出操作手爪抓捕包絡(luò)，導(dǎo)致抓捕任務(wù)失敗。此外，由于待抓捕目標(biāo)自身的可 能自旋，會導(dǎo)致整個抓捕過程更加困難。因此，設(shè)計合適的目標(biāo)抓捕穩(wěn)定控制方法，保證空 間繩系機器人在目標(biāo)抓捕過程中的穩(wěn)定控制，是十分有意義的。
[0004] 目標(biāo)抓捕是空間繩系機器人的核屯、任務(wù)之一，目標(biāo)抓捕過程中的穩(wěn)定控制直接影 響空間繩系機器人任務(wù)的成敗，它成為空間繩系機器人領(lǐng)域的研究重點。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】 陽〇化]本發(fā)明的目的在于提供一種可W廣泛應(yīng)用于空間繩系機器人目標(biāo)抓捕穩(wěn)定控制 方法，該控制方法可實現(xiàn)目標(biāo)抓捕過程中，空間繩系機器人位姿的穩(wěn)定，實現(xiàn)對目標(biāo)的成功 抓捕。
[0006] 為達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案包括W下步驟：
[0007] 1)建立空間繩系機器人目標(biāo)抓捕動力學(xué)方程；
[000引 2)計算出空間繩系機器人期望位姿的修正量e;
[0009] 3)估計空間繩系機器人系統(tǒng)模型不確定性身；
[0010] 4)計算空間繩系機器人穩(wěn)定控制力和控制力矩Q。
[0011] 本發(fā)明進一步的改進在于
[0012] 所述步驟1)中，空間繩系機器人目標(biāo)抓捕動力學(xué)方程為：
[0013]
[0014] 其中，
，1為空間系繩長度；曰為空間系繩面內(nèi)角；P 為空間系繩面外角；巧、0和為空間繩系機器人姿態(tài)角；M為系統(tǒng)慣量矩陣；N非線性速 度相關(guān)項；G重力相關(guān)項；Q為空間繩系機器人控制力與控制力矩；I為空間系繩干擾項。
[0015] 所述步驟2)中，計算出空間繩系機器人期望位姿的修正量e的方法為：
[0016]
[0017] 其中，n為空間繩系機器人與目標(biāo)的接觸碰撞點數(shù)量；
[0018]
[0019]S為拉普拉斯算子，F(xiàn)ei是第i個接觸碰撞力，通過力傳感器測得，Md、Bd和Kd為抓 捕目標(biāo)部位的慣量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣。
[0020] 所述步驟3)中，估計空間繩系機器人系統(tǒng)模型不確定性房的具體方法是：
[0021]
[0022] 其中，0為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出權(quán)值，其更新律為
，F(xiàn)p為任 意正定矩陣，kp〉0為設(shè)計參數(shù)
ICd為期望系統(tǒng)狀態(tài)，A為任意正定 矩陣，〇。為徑向基函數(shù)輸出值。
[0023] 所述步驟4)中，計算空間繩系機器人穩(wěn)定控制力和控制力矩Q:
[0024]
陽02引其中，K為正定矩陣，M〇、N。和G。分別為系統(tǒng)動力學(xué)方程中矩陣M、N和G的名義值，n=Us+nJ'sgn(r)為魯棒項，sgn(.)為符號函數(shù)，雌為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計誤差的 上界，nT為空間系繩干擾上限。
[00%] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有W下有益效果：
[0027] 本發(fā)明采用了阻抗控制方法，可減小抓捕過程中的碰撞力帶來的影響。通過神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)對空間繩系機器人模型不確定性進行估計，可W有效對不確定性帶來的影響進行補償 控制，并且控制過程中超調(diào)量更小，收斂時間更短，并且控制精度更高。 【【附圖說明】】
[0028] 圖1為本發(fā)明空間繩系機器人目標(biāo)抓捕示意圖。
[0029] 其中：1-待抓捕目標(biāo)；2-空間繩系機器人；3-空間系繩；4-空間平臺；5-地球。 【【具體實施方式】】
[0030] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細描述：
[0031] 參見圖1，本發(fā)明包括W下步驟：
[0032] 第一步：建立空間繩系機器人目標(biāo)抓捕動力學(xué)方程：
[0033]
[0034] 其中，《= (/a//夢0rf，1為空間系繩長度，曰為空間系繩面內(nèi)角，0為 空間系繩面外角，巧、0和為空間繩系機器人姿態(tài)角；M為系統(tǒng)慣量矩陣；N非線性速度 相關(guān)項；G重力相關(guān)項；Q為空間繩系機器人控制力與控制力矩；I為空間系繩干擾項。
[0035] 第二步：計算出空間繩系機器人期望位姿的修正量e
[0036] 空間繩系機器人期望位姿的修正量滿足W下關(guān)系式：
[0037]
[0038] 其中，i為目標(biāo)抓捕過程中的接觸碰撞點。
[0039] 期望位姿的修正量e可W表示為：
[0040]
[0041] 第S步：估計空間繩系機器人系統(tǒng)模型不確定性多
[0042] 不確定項房利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可W表示為：
[0043]
[0044] 其中，Op為徑向基函數(shù)輸出值，島為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出權(quán)值，設(shè)計的權(quán)值侵自適 應(yīng)更新律為：
[0045]
[0046] 其中，F(xiàn)p為任意正定矩陣，kp〉0為設(shè)計參數(shù)。
[0047] RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在對空間繩系機器人模型不確定性進行估計時，存在估計誤差#。 同時，考慮到系繩干擾X的影響，設(shè)計n對估計誤差>和系繩干擾X的影響進行抑制，設(shè) 計n為：
[0048] n=(ns+nJ?S即（r)
[0049] 其中，sgn( ?)為符號函數(shù)，游為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計誤差#的上界，nT為空間系 繩干擾X的上界。
[0050] 第四步：計算空間繩系機器人穩(wěn)定控制力和控制力矩Q
[0051]
[0052] 其中，Md、N。和G。為名義系統(tǒng)矩陣。
[0053] W上內(nèi)容僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能W此限定本發(fā)明的保護范圍，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，均落入本發(fā)明權(quán)利要求書 的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種空間繩系機器人目標(biāo)抓捕穩(wěn)定控制方法，其特征在于，包括以下步驟： 1) 建立空間繩系機器人目標(biāo)抓捕動力學(xué)方程； 2) 計算出空間繩系機器人期望位姿的修正量e ; 3) 估計空間繩系機器人系統(tǒng)模型不確定性P : 4) 計算空間繩系機器人穩(wěn)定控制力和控制力矩Q。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間繩系機器人目標(biāo)抓捕穩(wěn)定控制方法，其特征在于，所述 步驟1)中，空間繩系機器人目標(biāo)抓捕動力學(xué)方程為：? 1為空間系繩長度；α為空間系繩面內(nèi)角；β為空 間系繩面外角；#、Θ和φ為空間繩系機器人姿態(tài)角；M為系統(tǒng)慣量矩陣；N非線性速度相 關(guān)項；G重力相關(guān)項；Q為空間繩系機器人控制力與控制力矩；τ為空間系繩干擾項。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間繩系機器人目標(biāo)抓捕穩(wěn)定控制方法，其特征在于，所述 步驟2)中，計算出空間繩系機器人期望位姿的修正量e的方法為：其中，η為空間繩系機器人與目標(biāo)的接觸碰撞點數(shù)量；s為拉普拉斯算子，F(xiàn)m是第i個接觸碰撞力，通過力傳感器測得，M d、BjP K ,為抓捕目 標(biāo)部位的慣量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間繩系機器人目標(biāo)抓捕穩(wěn)定控制方法，其特征在于，所述 步驟3)中，估計空間繩系機器人系統(tǒng)模型不確定性#的具體方法是：其中，&為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出權(quán)值，其更新律為，F(xiàn)p為任意正 定矩陣，kp>0為設(shè)計參數(shù)，，Id為期望系統(tǒng)狀態(tài)，Λ為任意正定矩 陣，Φ P為徑向基函數(shù)輸出值。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間繩系機器人目標(biāo)抓捕穩(wěn)定控制方法，其特征在于，所述 步驟4)中，計算空間繩系機器人穩(wěn)定控制力和控制力矩Q :其中，K為正定矩陣，Μ。、％和G。分別為系統(tǒng)動力學(xué)方程中矩陣M、N和G的名義值，η =U δ+ητ) · Sgn(r)為魯棒項，sgn( ·)為符號函數(shù)，辦為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計誤差的上 界，為空間系繩干擾上限。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種空間繩系機器人目標(biāo)抓捕穩(wěn)定控制方法，包括以下步驟：1)建立空間繩系機器人目標(biāo)抓捕動力學(xué)方程；2)計算出空間繩系機器人期望位姿的修正量e；3)估計空間繩系機器人系統(tǒng)模型不確定性；4)計算空間繩系機器人穩(wěn)定控制力和控制力矩Q。本發(fā)明采用了阻抗控制方法，可減小抓捕過程中的碰撞力帶來的影響。通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對空間繩系機器人模型不確定性進行估計，可以有效對不確定性帶來的影響進行補償控制，并且控制過程中超調(diào)量更小，收斂時間更短，并且控制精度更高。
【IPC分類】G05B13/04
【公開號】CN105182748
【申請?zhí)枴緾N201510551518
【發(fā)明人】黃攀峰, 胡永新, 孟中杰, 王東科, 劉正雄
【申請人】西北工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年12月23日
【申請日】2015年9月1日