[发明专利]基于单系绳连接点对空间失稳目标的分步消旋控制方法

权利要求书

1.一种基于单系绳连接点对空间失稳目标的分步消旋控制方法，其特征在于，包括：

步骤1，飞行器利用智能爪捕获目标，并形成系绳连接，在目标与飞行器上各有一个系绳连接点；

步骤2，主动绕飞控制

飞行器对失稳目标主动绕飞以改变系绳张力作用方向，同时通过系绳张力控制机构保持系绳恒定张力；同时判断飞行器单次绕飞角度是否满足大于等于单次绕飞角度阈值θ₀，若满足则由主动绕飞控制自主切换至悬停消旋控制，若不满足则维持主动绕飞控制；同时判断目标角速度ω_t是否满足连续消旋结束时间阈值T_j内都小于等于角速度消旋阈值ω_down，若满足则分步消旋控制结束，若不满足则维持主动绕飞控制；

步骤3，悬停消旋控制

绕飞到位后飞行器对目标保持悬停指向，并通过系绳张力控制机构输出消旋所需系绳张力，实现对目标的消旋；同时判断目标横向角速度ω_T是否满足连续控制切换时间阈值T_x内都小于等于角速度消旋阈值ω_down，若满足则由悬停消旋控制自主切换至主动绕飞控制，若不满足则维持悬停消旋控制；同时判断目标角速度ω_t是否满足连续消旋结束时间阈值T_j内都小于等于角速度消旋阈值ω_down，若满足则分步消旋控制结束，若不满足则维持悬停消旋控制。

2.如权利要求1所述的一种基于单系绳连接点对空间失稳目标的分步消旋控制方法，其特征在于，所述单次绕飞角度阈值θ₀根据飞行器防缠绕安全角度设定；所述消旋结束时间阈值T_j根据消旋后目标角速度ω_t稳定要求设定；所述角速度消旋阈值ω_down根据目标角速度测量精度设定；所述控制切换时间阈值T_x根据横向角速度ω_T稳定要求设定。

3.如权利要求1所述的一种基于单系绳连接点对空间失稳目标的分步消旋控制方法，其特征在于，步骤2包括：

步骤2.1，规划飞行器绕飞轨迹

在绕飞参考系内设计绕飞轨迹l_r＝[0 r₀cosθ_r r₀sinθ_r]^T，其中r₀为绕飞半径，θ_r为绕飞轨迹l_r参变量，并采用“匀加速——匀速——匀减速”的规律；

将l_r投影到目标轨道系内为其中R_tro为目标轨道系到绕飞参考系的坐标转换矩阵；用α_ro表示绕飞平面法向与目标轨道平面的夹角，β_ro表示绕飞平面法向在目标轨道平面投影与轨道迹向的夹角，则R_tro＝R_z(α_ro)R_y(-β_ro)，其中R_y和R_z分别表示绕y和z轴旋转的主轴旋转矩阵；

步骤2.2，解算飞行器绕飞期望姿态

绕飞参考系相对目标轨道系的角速度为

绕飞参考系到期望姿态系的坐标转换矩阵为

期望姿态系相对绕飞参考系的角速度

飞行器期望姿态系相对轨道系的姿态矩阵R_sdo和角速度ω_sdo分别为

式中，R_toi、R_soi分别为惯性系到目标轨道系、飞行器轨道系的坐标转换矩阵，ω_toi、ω_soi分别为目标、飞行器的轨道角速度；

步骤2.3，设计系绳张力控制律

绕飞过程中，飞行器利用系绳张力控制机构保持系绳恒定张力，则设计系绳张力控制律T_tens＝T_{fly_around}l，其中T_{fly_around}为系绳恒定张力幅值；l为系绳伸展方向单位矢量；

步骤2.4，设计绕飞轨道控制律

设计飞行器轨道控制律F_th为

式中，m_s、m_t为飞行器、目标质量；R_sbi为惯性系到飞行器本体系的坐标转换矩阵；其中为ω_toi的反对称矩阵；其中Δr为飞行器实际位置与期望位置之间误差，f_t为目标真近点角，K_p、K_d为正定对称的反馈增益矩阵；

步骤2.5，设计绕飞姿态控制律；

设计飞行器姿态指向控制律T_c＝-K_spq_sbe-K_sdω_sbe，其中K_sp、K_sd为对称正定反馈增益矩阵；q_sbe、ω_sbe分别为绕飞指向姿态误差四元数矢部、误差角速度。

4.如权利要求3所述的一种基于单系绳连接点对空间失稳目标的分步消旋控制方法，其特征在于，步骤3包括：

步骤3.1，规划飞行器悬停轨迹与解算期望姿态

采用与步骤2.1相同的方式规划悬停轨迹，并令θ₀维持常值不变；采用与步骤2.1相同的算法解算悬停期望姿态；

步骤3.2，设计系绳张力控制律；

悬停消旋过程中，飞行器根据目标运动状态计算所需期望张力，并利用系绳张力控制机构输出所需张力；设计系绳张力控制律T_tens为

式中，k_tens为角速度阻尼参数；ω_T为目标横向角速度，即目标角速度ω_t在垂直系绳伸展方向的投影，且其中r_pt为目标系绳连接点在其本体系的位置矢量，R_ts为飞行器本体系到目标本体系的坐标转换矩阵；V为目标系绳连接点速度在系绳伸展方向的投影；

目标相对系绳的角速度为其中ω_ts为目标本体相对飞行器本体的角速度；ω_sfl为系绳方向系相对系绳连接系的角速度，且其中φ为系绳伸展方向l与系绳连接系xz平面的夹角，λ为系绳伸展方向l在系绳连接系xz平面的投影与正x向夹角；R_sfl为系绳连接系到系绳方向系的坐标转换矩阵，且R_sfl＝R_z(φ)R_y(-λ)；

记目标本体系下系绳伸展方向单位矢量τ＝R_tsl，垂直系绳伸展方向单位矢量则ω_tf在n方向的角速度大小为则目标系绳牵挂点速度在系绳伸展方向的投影为V＝ω_n(n×r_pt)·τ；

步骤3.4，设计悬停轨道控制律和姿态控制律；

采用与步骤2.4相同的轨道控制律，采用与步骤2.5相同的姿态控制律。