空间绳系机器人逼近目标协调控制方法.pdf

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1、航空学报ActaAerOnauticaetAstronauticaSinicaMay252013Vol。34No，51222—1231ISSN1000—6893CN11—1929／Vhttp：Ehkxb．buaa．edu，cnhkxb@buaa．edu．CR空间绳系机器人逼近目标协调控制方法徐秀栋，黄攀峰*，盂中杰西北工业大学航天飞行动力学技术重点实验室，陕西西安710072摘要：为了节省空间绳系机器人的末端执行装置在逼近目标卫星过程中推力器所使用的燃料，本文提出一种利用推力器、反作用轮及空间系绳的协调控制方法。首先利用二次型最优控制器(LQ

2、R)算法计算出末端执行装置逼近目标所需的理想轨道控制力，然后利用模拟退火算法将所需轨道控制力优化分配到推力器及空间系绳，同时利用时间延迟算法通过反作用轮补偿空间系绳产生的姿态干扰力矩。仿真结果表明，利用该协调控制方法能显著节省末端执行装置上推力器的燃料消耗，有效抑制空间系绳协调控制力产生的姿态干扰，使末端执行装置保持相对稳定的姿态。关键词：空间绳系机器人；LQR算法；协调控制；模拟退火；时间延迟中图分类号：V448．234文献标识码：A文章编号：1000—6893(2013)051222—10空问绳系机器人是一种用于空间在轨服务的新型空间机器

3、人，在空间在轨维修、在轨捕获及在轨组装等领域有着潜在的应用价值。空间绳系机器人的主要构架为“机器人平台+空间系绳+末端执行装置”，末端执行装置被机器人平台通过系绳释放后自主接近目标并最终实施在轨操作，由于引入了空间系绳，所以与传统的空间操作机器人相比具有操作半径大、灵活性强等优点。空间绳系机器人的末端执行装置完成最终在轨服务任务的前提是需要逼近到距离目标较近的一个指定位置并保持稳定的相对姿态，因此控制末端执行装置逼近目标及保持相对姿态稳定是进行在轨操作的一个关键前提。在对末端执行装置进行轨道姿态控制时，自带的燃料消耗是一个主要考虑因素，为了节

4、省末端执行装置上的自带推力器燃料，提出以“空间系绳+末端执行装置上的动力机构”为基础的协调轨道姿态控制方法。对于协调控制，Nakamura等提出一种分阶段利用系绳拉力及推力器进行协调控制绳系机器人飞行轨迹的方法，节省了绳系机器人的燃料消耗，但缺点是没有考虑利用系绳拉力在进行轨迹控制时对绳系机器人姿态的影响uJ。Nohmi等提出利用系绳拉力协调控制空间绳系机器人的运动，建立了连接点运动与机器人运动之问的耦合模型，在协调控制过程中，通过控制系绳与空问绳系机器人的连接点位置来进行系绳拉力方向的控制，从而保证了对空间绳系机器人运动的准确控制[2]，他

5、还提出利用“系绳+连杆”的方式协调控制空间机器人的姿态，进行了相关仿真实验[3]。Godard等提出通过控制两根系绳上辅助质量块的位置协调控制绳系卫星姿态的方法，并提出在一根系绳发生断裂故障后的协调姿态稳定方法H]。Mori和Matunaga针对卫星在面内的旋转运动，利用系绳张力及推力器设计了一种协调控收稿日期：2012．06—26；退修日期：2012一07—23；录用日期：2012一08·03；网络出版时间：2012一08—2113：51网络出版地址：WWWcnki．net／kcms／detail／111929V20120821．1351．

6、001htmI基金项目：西北工业大学博士论文创新基金(CX201217)；国家自然科学基金(60805034，61005062)；航天飞行动力学技术重点实验室开放基金(2012afdl022)*通讯作者．Tel．：029—88460366E-mail：pfhuang@nwpuedu．cn现用格武；XuXD，HuangPF，MengZJCoordinatedcontrolmethodofspacetetheredrobotforapproachmgtargets．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2013．

7、34(5)：1222．123

8、．徐秀栋，黄攀峰，i中杰空间绳系机器A逼近目标协调控翻方法．航空学报，2013，34(5)：{222．1231．徐秀栋等：空间绳系机器人逼近目标协调控制方法制方法，这种方法可以显著减少推力器燃料消耗，还可改善控制精度[5]。Chang和Chung提出了一种用于机器人系统的自适应协调控制策略，这种策略将主动反馈的参数用于估计协调控制律中的调节参数，机器人系统可以根据这种自适应协调控制方法协调控制自身的运动[6]。以上对于绳系机器人的协调控制中虽然利用了系绳，但均只考虑了轨道或姿态中的一个方面，实际中轨道与姿态运动的

9、耦合必然造成控制精度的下降及干扰力的增大；对于机器人系统，白适应协调控制策略中的估计控制参数的方法运用于绳系机器人系统中存在着很大困难。因此，本文提出一种空间绳系机