[发明专利]一种刚柔可变机构对空间目标的抵近接触方法

说明书

本发明涉及一种刚柔可变机构对空间目标的抵近接触方法，涉及避障路径规划、刚柔可变机构的动力学建模及控制，属于航天器动力学与控制领域。本发明首先弹射释放低刚度模式下的百米量级机械臂，对目标进行快速抵近，并在抵近过程中对末端执行器进行避障路径规划。当末端执行器抵近至非合作目标附近后，开展高抗扰性的接触任务，通过调整机械臂关节刚度，来减小机械臂与碎片碰撞时所产生的干扰力矩，并在碰撞结束后恢复至较大的关节刚度。该方法结合了机械臂与空间绳系捕获清除方法的优势，具有可操作范围广、路径规划实时性高、接触过程抗扰动强的优点，为后续开展高精度、可靠抓捕提供有利条件。

技术领域

本发明涉及一种刚柔可变机构对空间目标的抵近接触方法，涉及避障路径规划、刚柔可变机构的动力学建模及控制，属于航天器动力学与控制领域。

背景技术

目前外太空中碎片数量呈现快速增长的趋势。大量的空间碎片不仅占据宝贵的轨道资源，还会对正常工作的航天器产生威胁，因此有必要对空间碎片进行主动清除。捕获清除是空间碎片主动清除的有效方法之一，目前捕获清除的手段主要有刚性机械臂和柔性空间绳系方法。

传统刚性机械臂具有控制精度高、负载能力强的优势，但由于其臂长通常在十米量级左右，导致母星需要抵近至空间碎片附近后，才能开展后续的清除任务，这使得母星与碎片碰撞的风险大大增加，并且近距离抓捕过程中母星在进行位姿控制时，推力器所产生的脉冲也可能使得控制目标发生位置漂移；另一方面，对于空间碎片这一类非合作目标，机械臂在接触、抓捕过程中不可避免的会与碎片发生接触碰撞产生冲击，导致母星受到干扰力矩的影响，从而可能破坏整个系统的稳定性，造成整个清除任务的失败。

空间绳系捕获清除方法具有操作范围广、抗扰性强的优势，但是大型柔性绳系结构的动力学特性往往十分复杂，使得在捕获阶段的理论分析和仿真计算十分困难；此外在捕获碎片后，整个绳系拖曳系统对碎片的控制能力相较于机械臂也有所欠缺。

发明内容

本发明的目的是提供一种刚柔可变机构对空间碎片的抵近接触方法。该方法首先基于人工势场法，对弹射释放的低关节刚度模式机构进行运动学避障规划，所述低关节刚度模式是指所有关节设定在一个较小量级的刚度值，以体现其柔性。接着通过引入虚拟广义力，使得刚柔可变机构具有跳出规划路径中局部极小值的能力；其次基于凯恩方法建立了刚柔可变机构的动力学模型，为后续开展强抗扰性的变刚度接触打下基础；最后设计了变刚度操纵律，使得刚柔可变机构在受到由于空间碎片碰撞所导致的较大干扰力矩时，能够主动降低关节刚度，来减小碰撞对携带刚柔可变机构母星的影响，并在碰撞结束后恢复刚度。本发明提供的一种刚柔可变机构对空间碎片的抵近接触方法，具有可操作范围广、路径规划实时性高、接触过程抗扰动强的优点，为后续开展精细可靠抓捕任务提供了有利条件。

一种刚柔可变机构对空间碎片的抵近接触方法，包括如下步骤：

步骤一：基于人工势场法对刚柔可变机构进行运动学轨迹规划，并引入虚拟广义力使得刚柔可变机构具备跳出局部极小值的能力；

在基于人工势场法的轨迹规划方法中，引力势函数的表达式如下：

其中，引力系数k_a＞0，e(q)＝q_g-q代表相对目标位形q_g的＂偏差＂向量。q为当前位形；所述引力势函数的值总为正，且在目标位形q_g处取得全局最小值，与引力势函数相对应的引力定义为：

在基于人工势场法的轨迹规划方法中，斥力势函数的表达式如下：