空间绳系机器人抓捕后复合体姿态协调控制

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1、王东科等：空间绳系机器人抓捕后复合体姿态协调控制2003表l初始仿真参数表Table1InitiaIvalu髓ofthepar帅ete体仉∞。／((。)·s一1)‘，o／(kg·m2)以／(。)[zyz]1／m[主j÷]7／(m·s。)玎／(rad·s一1)d／m五Dl志dI惫pc七dcFl。。／N(O．0999，O．2015，O．1008)(10．10，10)diag(100，120，llO)15110图3为姿态误差仃。的3个分量阳、毗和∞的变化曲线，图4为对应的以欧拉角偏差庐。、巩和曲。(1—2—3旋转)表示的姿态误

2、差变化曲线。由仿真可以看出，仅用推力器进行控制，收敛速度较快，耗时23s，而用系绳协调控制耗时大概为30s，时间消耗较长。利用系绳进行协调控制，由于系绳能够提供较大的控制力矩，因此，俯仰角偏差良和偏航角偏差以在初期能较快得到控制，且震荡幅度较小，仇最大为一42．6。；而无系绳协调控O5F0一O5O．5乎。一0．5O1020304050“sO1020304050f／s——Coordir垴ltedcontfoI一一一Thn上stercon打01图3姿态误差一。变化曲线Fig．3Curvesofattitudeerror暝10

3、0毫60e20一20100f50善。一5040￡≥o一400IO20304050，／SO1020304050f／S0lO20304050tk——Coordimtedcomrol一一一Thrustercon仃ol图4姿态误差欧拉角变化曲线Fig．4CurvesofEuleranglesofattitudeerror制，良最大为74．7。，这对于系绳来是比较危险的，有可能发生系绳的缠绕；协调控制时，驴。最大变化为一14．8。，而无系绳协调控制为32．2。，这充分显示了系绳可以提供较大控制力矩在姿态控制中的优势。利用系绳协调控

4、制时，滚转角偏差庐。变化比无系绳控制时变化更大。对于抓捕后姿态控制，系绳缠绕等情况发生主要由于俯仰角和偏航角有较大的偏差，而滚转角并不会产生较大不利后果。因此，利用系绳协调控制时，初期仅利用推力器进行一定稳定控制。相反，如果利用系绳控制的同时，滚转角不进行控制，由于耦合作用，其会对俯仰角和偏航角的控制产生较大不利影响。图5为姿态稳定过程中的角速度误差∞。的3个分量∞。。、∞。：和cc，。。的变化曲线。图6为有系绳协调控制和无系绳控制时的推力器控制力矩Tc的3个分量T。。、T。：和T。。的变化曲线，可以看出来，利用系绳进行

5、协调控制，推力为间接性地进行控制，这是由于拉力控制使姿态产生震荡，导致控制器1和控制器2多次切换对姿态进行控制，但总的推力控制时间比无系绳控制少。图7和图8分别为利用系绳协调控制时的系绳拉力Fl变化曲线和系绳控制力矩正分量正t、丁·z和丁ts的变化曲线。图9为利用系绳进行协调控制和仅用空间绳系机器人自身推力对姿态进行控制的燃料消耗对比。，O卜，6j【∞¨m内涨符，∞∞临叭呲Ⅲ枷⋯¨，如㈣¨2004航空学报Aug．252013voI．34No8=、20k●fO≮a一20o20?Co≮8—20，k●￥％80203040500

6、1020304050——Coordinacedcon仃ol一一一ThnIstercontrol图5角速度误差∞。变化曲线Fig．5Curvesofangularvelocityerror∞。5gZ0宰心一5g●Z￥k。f／s、、～～r、0lO20304050r／s——Coordinatedcon仃ol一一一Thmstercontrol图6推力器控制力矩E变化曲线Fig．6Curvesofcontroltorquestforthethrusters冬r图7系绳拉力Fl变化曲线Fig．7Curveoftethertensjo

7、nF一1孚量oi一1O20304050图8系绳拉力力矩噩变化曲线Fig．8Curvesoftorques正fortethertension图9燃料消耗对比Fig．9Contrastoffuelconsumption设控制时间为￡r，则燃料消耗函数定义为M—lf：贮Tc出燃料消耗分为2部分：一部分为系绳控制过程中，利用推力对滚转角进行控制消耗的燃料；另一部分为利用控制器2，即俯仰角和偏航角均小于15。时，利用滑模变结构控制时消耗的燃料。从仿真结果可以看出，利用系绳进行协调控制燃料消耗M为432，而无系绳协调控制时，燃料消耗

8、为672，燃料消耗比利用系绳协调控制多出55．6％，利用系绳进行协调控制能够有效地节省姿态控制过程中的燃料消耗。图10和图11分别为利用系绳控制，系绳拉力对目标复合体的三轴位置(z，y，z)和速度(n，口，，∥：)产生的影响，从仿真结果可以看出来，一uI．z≮K^暑．z)，tK—g．7D，．心王东科等：空间绳系机器人