卫星灵巧飞行中的姿轨机械臂协同控制-论文.pdf

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1、20l4年第l7期总第161期S-LIC0NVALLEY卫星灵巧飞行中的姿轨机械臂协同控制郝朝，董云峰(北京航空航天大学宇航学院。北京100191)摘要阐述了卫星灵巧飞行的概念，针对慢旋非合作目标逼近与捕获任务，建立了航天器近距离轨迹规划模型，采用高斯伪谱法得出最优逼近轨迹。采用全状态反馈控制律，实现姿轨耦合的轨迹跟踪控制。建立了五自由度机械臂的动力学模型，设计了零冲击抓捕过程中的姿轨、机械臂与末端执行器的协同控制算法仿真结果表明，采用反馈控制律可实现对最优轨迹的跟踪，设计的姿轨机械臂与末端执行器的协同控制算法可实现零冲击

2、抓捕。关键词灵巧飞行；非合作目标；机械臂；协同控制中图分类号：V412文献标识码：A文章编号：1671-7597(2014)I7-0037-04静止轨道卫星一般都要完成离轨操作腾出宝贵的轨道位置行规划，然后按给定的飞行规划执行实时控制。资源，由于种种原因，一些卫星在未完成离轨操作前就己失效，灵巧飞行时，追踪星可与慢旋目标保持相对静止。从目标这对其他在轨服务卫星造成威胁“。卫星失效后往往处于翻星本体坐标系上看，追踪星悬停在慢旋目标任意合适抓捕点的滚状态，即是慢旋非合作的，因此针对慢旋非合作目标的逼近上方，机械臂只需简单的直线

3、运动即可完成抓捕操作。如果追和抓捕具有重大研究价值。踪星不灵活，灵活的机械臂能够在追踪星与目标有相对运动时在慢旋非合作目标逼近方面，学者们提出了不同的解决方从侧面或背面对目标进行抓捕，但强行抓捕可能会导致目标解法。文献[3]采用高斯伪谱法解决了对逼近慢旋非合作目标的体。另一方面，灵活的机械臂关节多，惯量大，引起的姿轨臂轨迹规划问题。文献[4]提出了一种沿最大惯量轴方向的直线耦合更严重。因此灵巧追踪星与非灵巧机械臂为更合适的组合。型同步自选逼近策略以保证航天器在逼近过程中的安全性。在2五自由度机械臂运动模型无设计轨迹情况下，

4、由于存在最优指标和规避障碍物等要求，单机械臂至少需要六个自由度以确保其末端执行器到达空快速逼近控制律的设计难度和复杂度会增加。文献[5]通过基间任意位姿，更多的自由度可以给予机械臂更大的操纵灵活性，于曲线规划算法产生了规避障碍的最优路径，实现了对规划好但同时也使得机械臂的运动控制更加复杂，必须进行运动规划，路径的跟踪控制。上述研究均未考虑逼近非合作目标之后的绕这样以来就无法实现灵巧飞行任务。追踪星与目标星相对静止飞问题。时，无需考虑沿臂杆轴向的转动，因此选定两复合关节加末端在慢旋非合作目标捕获方面，一些学者对姿态与机械臂的

5、执行器的五自由度机械臂，由期望末端位置即可通过逆运动学耦合控制进行了研究。文献[6]通过对机械臂与载体之间的反分析直接反求出各关节状态量，实时进行运动控制而无需进行作用力定性分析，提出了一种基于遗传算法的姿态扰动最优控运动规划。制方案。文献[7]研究了通过优化机械臂运动来降低对载体姿态影响的方法。文献[8]研究了自由飞行和自由漂浮空间机器2．1运动学方程人对规划路径的轨迹跟踪问题。上述研究中较多的考虑了机械定义关节1安装坐标系S：原点位于关节1，x轴垂直于安臂与姿态的耦合控制，并没有全面研究包括轨道、姿态、机械装面向外，Y

6、轴、z轴位于机械臂安装面内，相互垂直，按右臂和末端执行器的协同控制问题。手法则确定。本文针对慢旋非合作目标的逼近与捕获任务，在文献[3]定义关节1固连坐标系S：将S坐标系原点平移到关节2，的轨迹规划模型基础上，增加了规避障碍约束以及末端绕飞约旋转s，使X轴始终与杆1方向相同。束，利用高斯伪谱法求解出最优的逼近轨迹，采用反馈控制律定义关节2固连坐标系s。：旋转s。，使x轴始终与杆2方实现对期望最优轨迹跟踪。提出了两复合关节加末端执行器的向相同。五自由度机械臂模型，设计了捕获过程中的姿轨、机械臂与末转换关系可以表示为：端执行器

7、的协同控制算法，实现慢旋非合作目标的零冲击抓捕，Ss[上Ⅲ(o,)L／o3)]最后给出了仿真算例。基于雅可比矩阵的机械臂运动学模型为：1夏巧飞行灵巧飞行是指卫星能对空间目标表面进行定点巡查的飞行●能力。灵巧飞行借用鸟相对一棵树表面的运动能力来要求卫星。●它的核心是到轨道、姿态、机械臂和末端执行器多个可控环节●的协同控制问题。式(1)中，为卫星本体雅可比矩阵，表示末端速度和灵巧飞行是各式各样空间在轨精细操作的前提。目前最迫卫星本体速度的映射关系：J为地面雅可比矩阵，表示末端速切的应用是完成对失效卫星的离轨操作。失效目标强度差

8、，必度和关节速度的映射关系。v。、∞。分别为本体坐标系下末端执须采用卫星与目标相对静止的无冲击抓捕技术以避免碎片产生。行器的速度与角速度，v。、∞。分别为本体坐标系下追踪星的失效卫星一般都处于绕最大惯量轴的慢速旋转状态，即是慢旋速度与角速度，(l，2，3，4)为关节i角速度，v为本体坐标系非合作的，这就