空间机器人抓捕目标后姿态接管控制

doi:10.7527/S1000-6893.2014.0283

材料工程与机械制造

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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, 孟中杰^1,2, 常海涛^1,2

1. 西北工业大学航天学院智能机器人研究中心, 西安 710072;
2. 西北工业大学航天飞行动力学技术重点实验室, 西安 710072

收稿日期:2014-09-09 修回日期:2014-10-09 出版日期:2015-09-15 发布日期:2014-10-23
通讯作者: 黄攀峰男, 博士, 教授, 博士生导师。主要研究方向: 空间机器人学与遥操作,导航、制导与控制。 Tel: 029-88460366 E-mail: pfhuang@nwpu.edu.cn E-mail:pfhuang@nwpu.edu.cn
作者简介:王明男, 博士研究生。主要研究方向: 空间机器人控制、组合航天器控制。 Tel: 029-88460366 E-mail: wangmingnwpu@126.com
基金资助:
国家自然科学基金 (11272256, 61005062)

Attitude takeover control after capture of target by a space robot

WANG Ming^1,2, HUANG Panfeng^1,2, MENG Zhongjie^1,2, CHANG Haitao^1,2

1. Research Center of Intelligent Robotics, School of Astronautics, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China;
2. National Key Laboratory of Aerospace Flight Dynamics, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China

Received:2014-09-09 Revised:2014-10-09 Online:2015-09-15 Published:2014-10-23
Supported by:
National Natural Science Foundation of China (11272256, 61005062)

摘要/Abstract

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-α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θ-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-α稳定度设计的SDRE控制器能够使得系统闭环极点远离虚轴,θ-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

Abstract:

For the attitude control of target spacecraft whose attitude and orbit control systems have failed, a takeover control approach is proposed that the attitude is controlled after capture of target spacecraft by a space robot. Firstly, the space robot captures a target spacecraft and remains in a fixed configuration to form a combined spacecraft. Then, the new principal axes of inertia, main inertia and allocation matrix of control torque of the combined spacecraft are determined due to the parameter mutation of the combined spacecraft. Furthermore, the attitude error dynamics of the combined spacecraft is established in the form of state space. Finally, the SDRE takeover controller is constructed based on the -α stability design for the service spacecraft, which is solved by the θ-D method to obtain the sub-optimal control law of SDRE controller and achieve the takeover control of target spacecraft attitude by the service spacecraft. Numerical simulations have demonstrated that compared with the traditional SDRE control, the SDRE controller based on the -α stability design can make the closed-loop poles of system away from the imaginary axis, and the θ-D solving method can reduce the computation burden, hence it has better stability and real-time performance.

Key words: spacecraft, takeover control, attitude control, space robot, target capture, sub-optimal control

中图分类号:

V448.2

王明, 黄攀峰, 孟中杰, 常海涛. 空间机器人抓捕目标后姿态接管控制[J]. 航空学报, 2015, 36(9): 3165-3175.

WANG Ming, HUANG Panfeng, MENG Zhongjie, CHANG Haitao. Attitude takeover control after capture of target by a space robot[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2015, 36(9): 3165-3175.

参考文献

[1] Rupp T, Boge T, Kiehling R, et al. Flight dynamics challenges of the German on-orbit servicing mission DEOS[C]//International Symposium on Space Flight Dynamics. Toulouse: ISFD, 2009: 1-13.
[2] Kaiser C, Sjoberg F, Delcura J M, et al. SMART-OLEV—An orbital life extension vehicle for servicing commercial spacecrafts in GEO[J]. Acta Astronautica, 2008, 63(4): 400-410.
[3] Debus T J, Dougherty S P. Overview and performance of the front-end robotics enabling near-term demonstration (FREND) robotic arm[C]//AIAA Infotech@Aerospace Online Conference. Reston: AIAA, 2009: 461-465.
[4] Aghili F. Optimal control of a space manipulator for detumbling of a target satellite[C]//IEEE International Conference on Robotics and Automation. Piscataway, NJ: IEEE Press, 2009: 3019-3024.
[5] Xu W F, Meng D S, Xu C, et al. Coordinated control of a free-floating space robot for capturing a target[J]. Robot, 2013, 35(5): 559-567 (in Chinese). 徐文福, 孟得山, 徐朝, 等. 自由漂浮空间机器人捕获目标的协调控制[J]. 机器人, 2013, 35(5): 559-567.
[6] Liu H D, Liang B, Li C, et al. Research on coordinate control method for stabilizing a coupling system after the spacecraft is captured[J]. Journal of Astronautics, 2012, 33(7): 920-929 (in Chinese). 刘厚德, 梁斌, 李成, 等. 航天器抓捕后复合体系统稳定的协调控制研究[J]. 宇航学报, 2012, 33(7): 920-929.
[7] Xu X D, Huang P F, Meng Z J. Coordinated stability control of tethered space robot for capturing the target[J]. Robot, 2014, 36(1): 100-110 (in Chinese). 徐秀栋, 黄攀峰, 孟中杰. 空间绳系机器人抓捕目标过程协调稳定控制[J]. 机器人, 2014, 36(1): 100-110.
[8] Wang D K, Huang P F, Meng Z J, et al. Coordinated attitude control of the combination system after target capture by a tethered space robot[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2013, 34(8): 1998-2006 (in Chinese). 王东科, 黄攀峰, 孟中杰, 等. 空间绳系机器人抓捕后复合体姿态协调控制[J]. 航空学报, 2013, 34(8): 1998-2006.
[9] Huang P F, Wang D K, Meng Z J, et al. Post-capture attitude control for a tethered space robot-target combination system[J]. Robotica, 2014, 1(1): 1-22.
[10] Wang M, Huang P F, Chang H T, et al. On-orbit identification of inertia parameters of compound spacecraft using space manipulator[J]. Journal of Northwestern Polytechnical University, 2014, 32(5): 811-816 (in Chinese). 王明, 黄攀峰, 常海涛, 等. 基于机械臂运动的组合航天器惯性参数在轨辨识[J]. 西北工业大学学报, 2014, 32(5): 811-816.
[11] Crassidis J L, Markley F L. Sliding mode control using modified rodrigues parameters[J]. Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 1996, 19(6): 1381-1383.
[12] Xing G Q, Parvez S. Nonlinear attitude state tracking control for spacecraft[J]. Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 2001, 24(3): 624-626.
[13] Xue D Y. Feedback control system design and analysis[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2000: 219-220 (in Chinese). 薛定宇. 反馈控制系统设计与分析[M]. 北京: 清华大学出版社, 2000: 219-220.
[14] Xin M, Balakrishnan S N. A new method for suboptimal control of a class of non-linear systems[J]. Optimal Control Applications and Methods, 2005, 26(3): 55-83.
[15] Xin M, Pan H J. Nonlinear optimal control of spacecraft approaching a tumbling target[J]. Aerospace Science and Technology, 2011, 15(5): 79-89.

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Attitude takeover control after capture of target by a space robot

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[1]	刘培栋, 焦博涵, 党朝辉. 面向空间引力波探测的多边形编队设计方法[J]. 航空学报, 2022, 43(S1): 726907-726907.
[2]	王睿, 周洲, 郭荣化, 黄悦琛. 太阳能无人机伞降着陆多体动力学仿真与试验[J]. 航空学报, 2022, 43(8): 225721-225721.
[3]	胡庆雷, 邵小东, 杨昊旸, 段超. 航天器多约束姿态规划与控制:进展与展望[J]. 航空学报, 2022, 43(10): 527351-527351.
[4]	冉茂鹏, 王成才, 刘华华, 王薇, 吕金虎. 变体飞行器控制技术发展现状与展望[J]. 航空学报, 2022, 43(10): 527449-527449.
[5]	李志华, 李广, 沈汉武, 樊志华. 基于QSS的自适应多步校正算法及其在柔性航天器动力学中的应用[J]. 航空学报, 2021, 42(6): 224455-224455.
[6]	贾庆轩, 段嘉琪, 陈钢. 机器人在轨装配无标定视觉伺服对准方法[J]. 航空学报, 2021, 42(6): 424063-424063.
[7]	黄旭星, 李爽, 杨彬, 孙盼, 刘学文, 刘新彦. 人工智能在航天器制导与控制中的应用综述[J]. 航空学报, 2021, 42(4): 524201-524201.
[8]	王大轶, 侯博文, 王炯琦, 葛东明, 李茂登, 徐超, 周海银. 航天器自主导航状态估计方法研究综述[J]. 航空学报, 2021, 42(4): 524310-524310.
[9]	梁小辉, 胡昌华, 周志杰, 王青. 基于自适应动态规划的运载火箭智能姿态容错控制[J]. 航空学报, 2021, 42(4): 524915-524915.
[10]	袁利, 王淑一. 航天器控制系统智能健康管理技术发展综述[J]. 航空学报, 2021, 42(4): 525044-525044.
[11]	韩楠, 罗建军, 马卫华. 失效卫星姿态接管的并行学习合作博弈控制[J]. 航空学报, 2021, 42(3): 324307-324307.
[12]	马率, 张露, 刘钒, 孙俊峰, 崔兴达. 类X-37B航天器气动力天地相关性数值模拟[J]. 航空学报, 2021, 42(2): 624010-624010.
[13]	叶子鹏, 周庆瑞, 王辉. 日地L2点航天器编队的分布式自主相对导航[J]. 航空学报, 2021, 42(2): 324145-324145.
[14]	王润, 郁丰, 周士兵, 刘方武. 基于3D Zernike矩的巡检器与空间站的相对导航算法[J]. 航空学报, 2021, 42(2): 324298-324298.
[15]	初未萌, 杨今朝, 邬树楠, 吴志刚. 基于LSTM的空间机器人系统惯性张量在轨辨识[J]. 航空学报, 2021, 42(11): 524615-524615.