本發(fā)明屬于航天器控制技術(shù)研究領(lǐng)域，涉及一種參數(shù)不確定條件下空間繩系機器人目標逼近姿軌穩(wěn)定控制方法，該控制方法可應(yīng)用于空間繩系機器人的逼近穩(wěn)定控制中。

背景技術(shù)：

空間繩系機器人是一種帶系繩具備對自旋等空間失穩(wěn)非合作目標自主逼近和抓捕的空間操控載荷，能夠?qū)臻g目標進行多次捕獲并與目標形成可靠連接，對失控目標輔助穩(wěn)定、拖曳變軌等操作。并且具備可重復(fù)使用功能。

空間繩系機器人對非合作失穩(wěn)目標逼近抓捕任務(wù)中，由于非合作目標的自旋章動等運動特性、待抓捕部位幾何尺寸未知，視覺測量給出位姿信息精度有限。系繩張力的存在會給空間繩系機器人的位姿穩(wěn)定帶來干擾，空間繩系機器人采用推力器進行位姿控制，而推力器推力有限并且推力器難免存在安裝偏差以及推力偏差。由于空間繩系機器人具備可重復(fù)使用功能，無法確定當(dāng)前任務(wù)中空間繩系機器人的實際質(zhì)量、質(zhì)心、慣量等參數(shù)。并且在對高速自旋目標進行逼近過程中，由于需要空間繩系機器人進行強制跟旋運動，需要消耗大量燃料，因而在整個逼近任務(wù)過程中，空間繩系機器人的質(zhì)量、質(zhì)心、慣量等參數(shù)會發(fā)生大幅度變化。以上這些因素給逼近抓捕任務(wù)帶來了較大困難。因而需要設(shè)計合適的控制器來保證逼近抓捕任務(wù)的順利執(zhí)行。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

要解決的技術(shù)問題

為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種參數(shù)不確定條件下空間繩系機器人目標逼近姿軌穩(wěn)定控制方法。

技術(shù)方案

一種參數(shù)不確定條件下空間繩系機器人目標逼近姿軌穩(wěn)定控制方法，其特征在于步驟如下：

步驟1、空間繩系機器人動力學(xué)模型建立：

系統(tǒng)的動力學(xué)方程為：

g＝(m(ξ))^-1

系統(tǒng)狀態(tài)其中l(wèi)、α和β分別為空間系繩長度、空間系繩面內(nèi)角和空間系繩面外角，θ和ψ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；

為廣義控制力與控制力矩，gr為重力相關(guān)項；

步驟2：

1、不確定參數(shù)f和g的估計：采用rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對不確定項(f,g)進行逼近，設(shè)計兩個rbf網(wǎng)絡(luò)分別對f，g進行建模，兩個網(wǎng)絡(luò)的輸出分別為fsnn，gsnn，θf，θg的最優(yōu)逼近參數(shù)為對應(yīng)理想神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近誤差為：εf，εg；

令理想神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近誤差：

2、抗飽和輔助系統(tǒng)設(shè)計：

其中，是輔助系統(tǒng)狀態(tài)變量；μ是設(shè)計的小正數(shù)；δq＝q′-q，q′為通過限幅器后的控制輸出；是設(shè)計的正定矩陣；

步驟3：

1、設(shè)計的控制律為：q＝qc+qr+qd

其中：

2、設(shè)計自適應(yīng)率為：

其中

k1＞0，γ0＞0，η0＞0，δ(0)＞0；

以步驟3得到的控制律實現(xiàn)空間繩系機器人目標逼近姿軌的控制。

有益效果

本發(fā)明提出的一種參數(shù)不確定條件下空間繩系機器人目標逼近姿軌穩(wěn)定控制方法，建立了空間繩系機器人逼近抓捕動力學(xué)模型，針對模型中存在的參數(shù)不確定問題，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行估計。針對推力器控制力/力矩飽和問題，設(shè)計抗飽和輔助系統(tǒng)。設(shè)計了空間繩系機器人位姿穩(wěn)定控制算法，該算法實現(xiàn)對位姿干擾以及參數(shù)未知等影響的抑制。

附圖說明

圖1：空間繩系機器人系統(tǒng)示意圖

圖中：1.空間繩系機器人；2.空間系繩；3.空間平臺；4.地球；5.空間目標

具體實施方式

現(xiàn)結(jié)合實施例、附圖對本發(fā)明作進一步描述：

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案包括以下步驟：

1)空間繩系機器人動力學(xué)模型建立

2)模型參數(shù)估計

3)抗飽和輔助系統(tǒng)設(shè)計

4)控制力/力矩計算

具體實施：

1)空間繩系機器人動力學(xué)模型建立

建立空間繩系機器人目標逼近動力學(xué)方程

其中，系統(tǒng)狀態(tài)其中l(wèi)、α和β分別為空間系繩長度、空間系繩面內(nèi)角和空間系繩面外角，θ和ψ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；為廣義控制力與控制力矩，gr為重力相關(guān)項；。

通過數(shù)學(xué)變換，系統(tǒng)的動力學(xué)方程可以表示為：

令g＝(m(ξ))^-1

則系統(tǒng)的動力學(xué)方程可以表示為：

2)不確定參數(shù)估計

考慮到空間繩系機器人的質(zhì)量參數(shù)變化以及建模誤差等，需對f和g進行估計。

考慮到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對連續(xù)函數(shù)具有非常好的逼近能力，采用rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對不確定項(f,g)進行逼近。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法如下：

y＝θ^tφ(x)

其中x為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入信號，y為網(wǎng)絡(luò)的輸出信號。φ＝[φ1,φ2…,φn]為高斯基函數(shù)的輸出，θ為網(wǎng)絡(luò)權(quán)值。

令為理想逼近的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出。其中θ^*為最佳逼近的網(wǎng)絡(luò)權(quán)值。并且可以表示為如下形式：

則理想神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最佳逼近誤差η可以表示為如下形式:

其中：

設(shè)計兩個rbf網(wǎng)絡(luò)分別對f，g進行建模，兩個網(wǎng)絡(luò)的輸出分別為fsnn，gsnn，θf，θg的最優(yōu)逼近參數(shù)為對應(yīng)理想神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近誤差為：εf，εg。

令理想神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近誤差：

3)抗飽和輔助系統(tǒng)設(shè)計(與2并行)

為了減小推力器飽和的影響，引入如下輔助系統(tǒng)：

其中，是輔助系統(tǒng)狀態(tài)變量；μ是設(shè)計的小正數(shù)；δq＝q′-q，q′為通過限幅器后的控制輸出；是設(shè)計的正定矩陣.

4)控制力/力矩計算

設(shè)計的控制律為:

q＝qc+qr+qd

其中：

設(shè)計自適應(yīng)率為：

其中：k1＞0，γ0＞0，η0＞0，δ(0)＞0。

以得到的控制律實現(xiàn)空間繩系機器人目標逼近姿軌的控制。