空间机器人抓捕目标后姿态接管控制.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaSep．252015V01．36No．93165—3175ISSN1000．6893CN11-1929／Vhttp：#hkxb．buaa．edu．CRhkxb@buaa．edu．cn空间机器人抓捕目标后姿态接管控制王明1’2，黄攀峰1’2一，孟中杰1’2，常海涛1’21．西北工业大学航天学院智能机器人研究中心，西安7100722．西北工业大学航天飞行动力学技术重点实验室，西安710072摘要：针对姿轨控系统已经失效的目标航天器姿态控制问题，提出一种空间机器人抓捕目标后姿态接管控制方法。该方法首先利用空间机器人抓

2、捕目标航天器，并保持在固定构型形成组合航天器；其次确定参数突变后组合航天器新的惯量主轴、主惯量和控制力矩分配矩阵；然后在状态空间建立组合航天器的非线性误差姿态动力学；最后采用一a稳定度设计方法来设计服务航天器的SDRE姿态接管控制器，并通过争D求解方法得到SDRE控制器的次最优控制律，实现服务航天器对目标航天器的姿态接管控制。仿真结果表明，相比传统的SDRE控制器设计，基于一a稳定度设计的SDRE控制器能够使得系统闭环极点远离虚轴，口一D求解方法可以降低计算量，因此具有更好的稳定性和实时性。关键词：航天器；接管控制；姿态控制；空间机器人；目标抓捕；次最优控制中图分类号：V448．2文献标

3、识码：A文章编号：1000—6893(2015)09—3165—11随着空间技术的发展，航天器在轨服务任务越来越受到世界各国的重视。日本的ETS—VII(EngineeringTestSatellite—VII)项目和美国的OE(OrbitalExpress)项目已经成功解决了与合作目标航天器在轨服务相关的许多关键技术，比如交会对接、目标捕获和燃料加注等。目前，世界许多航天大国研究的项目大都与非合作目标航天器在轨服务相关，比如德国DLR的DEOS(Deut—scheOrbitalServicing)项目[1]，欧空局的SMART—OLEV(SMARTOrbitalLifeExtensio

4、nVehicle)项目L2j，美国的FREND(Front—endRo—boticsEnablingNear—termDemonstration)项目[33等，主要研究针对轨道运行的非合作目标航天器在轨服务，如燃料耗尽的卫星、在错误轨道搁浅的卫星等，服务航天器会与之进行对接形成组合体，接管目标航天器的姿轨控系统，并为其提供位置保持、姿态控制、轨道修正、拖曳离轨等操作。其中，目标航天器的接管控制技术是关键技术之一。目标航天器的接管控制是指服务航天器通过空间机械手、对接机构或者其他等设备与目标航天器固连形成组合体后，利用自身的姿轨控系统来接管目标航天器的姿轨控系统，实现对目标航天器轨道与姿态

5、的精确控制。由于非合作目标航天器往往具有一定的初速度，且无交会对接相关辅助设备，与其进行交会对接比较困难，故采用空间机器人对其进行抓捕更具有普遍性，因此本文研究的是空间机器人抓捕目标后姿态接管控制问题，只控制目标航天器的姿态而不控制轨道。由于空间机器人抓捕目标后，组合体的质量特性参数会发生突变，服务航天器平台的原有控制参数不能满足对目标航天器精确姿态控制的要求，严收稿日期：2014-09-09；退修日期：2014-09-29：录用日期：2014—10-09；网络出版时间：2014—10—2316：14网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／doi／10．7527／$1000．6

6、893．20140283．html基金项目：国家自然科学基金(11272256，61005062)*通讯作者．Tel．：029—88460366E-mail：pfhuang@nwpu．edu．cn礅角籀武：WangM，HuangPF．MengZJ，eta1．Attitude招keovercontrolaftercaptureoftargetbyaspacerobol[J]．ActaAoronauticaetAstronauticaS加icat2015·36(9)：3165-3175I明·黄攀峰．i中杰，等．空闻机器人抓捕目标后姿态接管控韵!J]i航空学按，2D15，36(9)：3165-

7、3175．航空学报Sep252015V01．36No．9重的可能导致整个组合体系统失稳，甚至发生翻滚。因此，对空间机器人抓捕目标后姿态接管控制问题进行研究显得尤为重要，这是后续对目标航天器开展精确姿态控制的前提。文献[4]研究了空间机器人抓捕非合作翻滚目标卫星的协调控制问题，其中目标卫星作为机械臂的载荷，实现了组合体的姿态稳定。文献[5]提出了基座自由漂浮下由空间机械臂自身控制实现机械臂与基座协调运动的方法，并采用分解运动速度控制方