CN106292678B - 一种针对目标操作的空间机器人基座解耦控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种针对目标操作的空间机器人基座解耦控制方法，在忽略机械臂本身的质量惯量情况下，建立了对目标进行操作的空间机器人系统模型，通过操作目标的运动信息，构建了目标操作时对基座的各种干扰力矩的解析式，通过反馈控制器对干扰进行补偿，实现了基座的解耦控制。本发明相对于传统的解耦控制，不需要配置力矩传感器，而利用干扰补偿则实现了与基座、机械臂、操作目标一体化控制器相当的控制性能，特别适用于工程实际中，基座、机械臂、操作目标由不同研制单位研制的实际情况。

Description

一种针对目标操作的空间机器人基座解耦控制方法

技术领域

本发明涉及一种针对目标操作的空间机器人基座解耦控制方法，属于航天器姿态控制领域。

背景技术

空间机器人是多体系统，其动力学模型非常复杂，涉及到基座、操作目标，以及连接二者的机械臂之间的耦合。

目前空间机器人进行目标操作时的控制方法主要分为两种方案，第一种是将空间机器人视为一个整体，对基座、机械臂、操作目标进行统一的控制器设计，进行耦合控制，即要求对它们进行一体化的控制器设计，由中心控制计算机统一对三者信息进行采集，再统一进行控制，这种控制器基于高维度模型，设计的控制器维数高、计算复杂；另一种是解耦控制器，在机械臂根部安装六维力传感器，通过实时测量机械臂操作目标时的干扰力矩，在基座的控制器中将干扰力矩进行前馈初偿，这种方法控制器形式简单，将基座与机械臂及操作目标的控制解耦，控制器简洁，计算量小，但需要配置六维力传感器，并且要求测量的力矩精度高，否则系统控制精度较差。上述两种方案各有利弊，前者不需要配置高精度力矩传感器，但计算量大、控制器复杂；后者计算量小、控制器简洁，但需要配置高精度力矩传感器。

实际工程上，基座、机械臂、操作目标常常是由不同的研制单位研制，三者之间在信息体系上，不能实现完整无缝连接，无法对三者进行一体式控制，因此上述两种控制方案，后一种控制方案更贴近工程实际。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种针对目标操作的空间机器人基座解耦控制方法，不需要配置力矩传感器，而利用干扰补偿则实现了与基座、机械臂、操作目标一体化控制器相当的控制性能，特别适用于工程实际中，基座、机械臂、操作目标由不同研制单位研制的实际情况。

本发明的原理：设计了一种控制器，只需对基座进行控制，忽略机械臂的质量特性，只考虑基座与操作目标的质量惯量特性，同时将操作目标对基座的干扰进行补偿，控制器形式得到极大的简化。该控制器不需要同时对基座、机械臂及操作目标进行控制，实现了基座、机械臂、操作目标间的解耦，特别适合工程实际中，基座、机械臂、操作目标分别由不同单位研制的情况。实际工程中，机械臂的质量惯量只占到整个系统的10％以下，本发明通过忽略机械臂的质量惯量特性，得到空间机器人进行目标操作时的控制器，控制器的性能完全能满足工程需求，控制器的形式简洁紧凑，特别适合于工程实际应用。

本发明技术解决方案：一种针对目标操作的空间机器人基座解耦控制方法，包括以下步骤：

(1)定义空间机器人由基座、机械臂、操作目标组成，机械臂安装在基座上，利用机械臂对操作目标进行捕获等操作，定义轨道坐标系XYZ，原点位于空间机器人的质心，Z轴指向地心，X轴指向空间机器人飞行方向，Y轴与X、Z轴形成直角坐标系；在基座与目标体上，分别建立固连的本体坐标系；定义基座的本体坐标系X₀Y₀Z₀，原点位于基座的质心，X₀轴、Y₀轴、Z₀轴分别对应与X轴、Y轴、Z轴平行；定义操作目标的本体坐标系X₁Y₁Z₁，原点位于操作目标的质心，X₁轴、Y₁轴、Z₁轴分别对应与X轴、Y轴、Z轴分别平行；定义惯性坐标系X_iY_iZ_i，原点位于空间机器人的质心，X_i、Y_i、Z_i在惯性空间内保持指向不变；

(2)设计基于四元数信息的姿态控制器形式为

T_CMG＝-J_A(k_dω₀+k_pq_e)+T_dist

其中，q＝[q_e0q_e]^T为姿态四元数，q_e为姿态四元数的矢量部分，q_e0为姿态四元数的标量部分。为系统总的转动惯量，A₀₁为从坐标系X₁Y₁Z₁到坐标系X₀Y₀Z₀的坐标转换矩阵；所述的系统指空间机器人机械臂与目标连接后形成的组合体；

J₀为基座部分相对于其质心的转动惯量，J₁为操作目标相对其质心的转动惯量，为操作目标质心相对基座质心的矢量，为基座相对于惯性系的角速度，为目标相对基座的角速度，为目标质心相对基座质心的运动速度。上式中的变量除了及J₁在操作目标的本体坐标系内描述外，其它矢量或并矢均在基座的本体系内表示；

(3)针对姿态控制器，分别提炼出操作目标对基座的干扰项，即：

由系统惯量变化引起的干扰力矩为：

由目标的速度引起的干扰力矩为：

由目标的加速度引起的干扰力矩为：

由目标的线加速度引起的干扰力矩为：

由系统角动量引起的陀螺力矩为：

(4)根据(1)中的姿态控制器，采用上面各干扰表达式判断惯量变化引起的干扰力矩、操作目标的速度引起的干扰力矩、操作目标的加速度引起的干扰力矩、操作目标的线加速度引起的干扰力矩对空间机器人姿态控制的影响，在系统设计时，可分别判断各项干扰，调整目标操作期间的系统转动惯量、操作目标的速度、加速度、线加速度对系统的影响。

所述步骤(4)具体过程如下：

(1)如果通过仿真，由系统惯量变化引起的干扰力矩T_dist1超过设定阈值，则应减小再进行仿真，直至T_dist1小于设定的阈值；

(2)如果通过仿真，由操作目标的速度引起的干扰力矩T_dist2超过设定阈值，则应减小ω₁，再进行仿真，直至T_dist2小于设定的阈值；

(3)如果通过仿真，由操作目标的加速度引起的干扰力矩T_dist3超过设定阈值，则应减小再进行仿真，直至T_dist3小于设定的阈值；

(4)如果通过仿真，由操作目标的线加速度引起的干扰力矩T_dist4超过设定阈值，则应减小a₁，再进行仿真，直至T_dist4小于设定的阈值。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明是一种制解耦的控制器，该控制器只需要对基座进行控制，而将操作目标对机器人的干扰进行补偿。通过对操作目标的干扰进行补偿，达到了只对基座进行解耦控制，而控制性能与复杂的基座、机械臂、操作目标一体化控制相当；

(2)本发明相对于传统的解耦控制方法，本方法不需要新增加力矩传感器，通过现有的测量信息，对干扰进行补偿，达到了解耦控制的目的，降低了控制系统的成本和在轨风险；

(3)本发明将操作目标对基座的干扰利用操作目标相对基座的位置与姿态信息进行解析表达，将各种干扰分门别类，通过干扰表达式及角动量表达式可以论证基座执行机构的力矩与角动量需求。这些表达式在以往文献中均没有出现过；

(4)本发明控制器形式简单紧凑，控制器由计算量小、思路明确，特别适用于工程实际中，基座、机械臂、操作目标由不同研制单位研制的实际情况。

附图说明

图1为忽略机械臂质量特性的空间机器人拓扑结构示意图；

图2为本发明的设计的流程图。

具体实施方式

本发明与上述两种传统的控制方法不同，提出了一种不需要配置高精度力矩传感器的基座、机械臂、控制目标的解耦控制器。

本发明基于一个事实，即空间机器人作为一个系统，机械臂一般具有6到7个自由度，其测量采集信息量非常大，包括机械臂各关节的关节角度、关节角速度、关节角加速度，这也导致与其相关的计算量相对基座与操作目标最大；而基座、机械臂与操作目标对系统的动力学响应的贡献基本上与其质量在系统中的占比成正比，由于机械臂的质量一般不到系统总质量的10％，其对系统的动力学响应影响最小，因此本发明在进行控制器设计时，忽略连接基座与操作目标的机械臂的质量惯量，直接利用操作目标与基座的运动状态来描述系统，进行控制器设计，忽略机械臂后系统示意图如图1所示。

如图2所示，本发明中控制方法实现如下：

(1)空间机器人由基座、机械臂、操作目标组成，定义轨道坐标系XYZ，原点位于空间机器人的质心，Z轴指向地心，X轴指向空间机器人飞行方向，Y轴与X、Z轴形成直角坐标系；在基座与目标体上，分别建立固连的本体坐标系；定义基座的本体坐标系X₀Y₀Z₀，原点位于基座的质心，X₀轴、Y₀轴、Z₀轴分别对应与X轴、Y轴、Z轴平行；定义操作目标的本体坐标系X₁Y₁Z₁，原点位于操作目标的质心，X₁轴、Y₁轴、Z₁轴分别对应与X轴、Y轴、Z轴分别平行；定义惯性坐标系X_iY_iZ_i，原点位于空间机器人的质心，X_i、Y_i、Z_i在惯性空间内保持指向不变；

首先忽略空间机器人机械臂的质量、惯量特性，考虑基座与操作目标的系统角动量表达式为：

其中，J₀为基座部分相对于其质心的转动惯量，J₁为操作目标相对其质心的转动惯量，为操作目标质心相对基座质心的矢量，为基座相对于惯性系的角速度，为目标相对基座的角速度，为目标质心相对基座质心的运动速度。(1)式中的变量除了及J₁在操作目标的本体坐标系内描述外，其它矢量或并矢均在基座的本体系内表示。

(2)将(1)式在基座的本体系内投影，得到角动量方程如下：

其中，为系统总的转动惯量，A₀₁为从坐标系X₁Y₁Z₁到坐标系X₀Y₀Z₀的坐标转换矩阵；

(3)由于将(2)式微分得到系统的姿态动力学方程为如下形式：

其中，

(4)设计基于四元数信息的姿态控制器

T_CMG＝-J_A(k_dω₀+k_pq_e)+T_dist

其中，q＝[q_e0 q_e]^T为姿态四元数，q_e为姿态四元数的矢量部分，q_e0为姿态四元数的标量部分。可以通过Lyapunov函数证明系统的稳定性。定义如下形式的Lyapunov函数

其中k_p为正的常数。

对上式求导，并将(3)式代入可得

因此取T_CMG＝-J_A(k_dω₀+k_pq_e)+T_dist,其中k_d也为正的常数。则(6)式成为

当且仅当ω₀＝0时为了证明系统是渐近稳定的，将

T_CMG＝-J_A(k_dω₀+k_pq_e)+T_dist式代入(3)可得

若ω₀＝0，则由上式可知因此由LaSalle不变集原理可证明

即系统的渐近稳定性得证。

(5)针对公式(4)中的控制器，还可以分别提炼出操作目标对基座的干扰项，即：

由系统惯量变化引起的干扰力矩为：

由目标的速度引起的干扰力矩为：

由目标的加速度引起的干扰力矩为：

由目标的线加速度引起的干扰力矩为：

由系统角动量引起的陀螺力矩为：

(6)根据第4步中的控制器及第5步中的分析，可判断各种不同干扰对空间机器人姿态控制的影响，因此在系统设计时，可分别判断各项干扰对系统的影响大小；通过第(3)式可以看到，空间机器人的姿态运动等同于受到外界扰动时的单体航天器姿态运动；

(7)假设短时间内空间机器人的角动量不变，依据角动量守恒原理，通过(1)式还可判断执行机构的角动量的需求大小为：

因此(5)式可用来分析执行机构的角动量选取是否满足要求。

(7)本发明中，用到了操作目标相对基座的相对位置与姿态信息，这些信息可以通过两种方案获得。如果操作目标是合作目标，可通过操作目标上的相对位置敏感器或陀螺输出信息获得；如果操作目标是非合作目标，可通过机械臂的关节角、关节角速度信息通过计算获利，这时需要采集机械臂关节信息，但不需要计算机械臂的动力学，仍然不影响本发明中控制器的特点，即计算量不大。

本发明中涉及的计算量不大，所需要的参数都可以获取。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (2)

1.一种针对目标操作的空间机器人基座解耦控制方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)定义空间机器人由基座、机械臂、操作目标组成，机械臂安装在基座上，利用机械臂对操作目标进行捕获操作，定义轨道坐标系XYZ，原点位于空间机器人的质心，Z轴指向地心，X轴指向空间机器人飞行方向，Y轴与X、Z轴形成直角坐标系；在基座与目标体上，分别建立固连的本体坐标系；定义基座的本体坐标系X₀Y₀Z₀，原点位于基座的质心，X₀轴、Y₀轴、Z₀轴分别对应与X轴、Y轴、Z轴平行；定义操作目标的本体坐标系X₁Y₁Z₁，原点位于操作目标的质心，X₁轴、Y₁轴、Z₁轴分别对应与X轴、Y轴、Z轴分别平行；定义惯性坐标系X_iY_iZ_i，原点位于空间机器人的质心，X_i、Y_i、Z_i在惯性空间内保持指向不变；

(2)设计基于四元数信息的姿态控制器形式为

T_CMG＝-J_A(k_dω₀+k_pq_e)+T_dist

其中，q＝[q_e0 q_e]^T为姿态四元数，q_e为姿态四元数的矢量部分，q_e0为姿态四元数的标量部分,为系统总的转动惯量，A₀₁为从坐标系X₁Y₁Z₁到坐标系X₀Y₀Z₀的坐标转换矩阵；所述的系统指空间机器人机械臂与目标连接后形成的组合体；

J₀为基座部分相对于其质心的转动惯量，J₁为操作目标相对其质心的转动惯量，为操作目标质心相对基座质心的矢量，相应地R表示在坐标系内的分量值，其它变量类似，为基座相对于惯性系的角速度，为目标相对基座的角速度，为目标质心相对基座质心的运动速度；上式中的变量除了及J₁在操作目标的本体坐标系内描述外，其它矢量或并矢均在基座的本体系内表示；

(3)针对姿态控制器，分别提炼出操作目标对基座的干扰项，即：

由系统惯量变化引起的干扰力矩为：

由目标的速度引起的干扰力矩为：

由目标的加速度引起的干扰力矩为：

由目标的线加速度引起的干扰力矩为：

由系统角动量引起的陀螺力矩为：

(4)根据(1)中的姿态控制器，采用上面各干扰表达式判断惯量变化引起的干扰力矩、操作目标的速度引起的干扰力矩、操作目标的加速度引起的干扰力矩、操作目标的线加速度引起的干扰力矩对空间机器人姿态控制的影响，在系统设计时，可分别判断各项干扰，调整目标操作期间的系统转动惯量、操作目标的速度、加速度、线加速度对系统的影响。

2.根据权利要求1所述的针对目标操作的空间机器人基座解耦控制方法，其特征在于：所述步骤(4)具体过程如下：

(1)如果通过仿真，由系统惯量变化引起的干扰力矩T_dist1超过设定阈值，则应减小再进行仿真，直至T_dist1小于设定的阈值；

(2)如果通过仿真，由操作目标的速度引起的干扰力矩T_dist2超过设定阈值，则应减小ω₁，再进行仿真，直至T_dist2小于设定的阈值；

(3)如果通过仿真，由操作目标的加速度引起的干扰力矩T_dist3超过设定阈值，则应减小再进行仿真，直至T_dist3小于设定的阈值；

(4)如果通过仿真，由操作目标的线加速度引起的干扰力矩T_dist4超过设定阈值，则应减小a₁，再进行仿真，直至T_dist4小于设定的阈值。