一種空間柔性網機器人系統動力學建模方法技術方案

本發明專利技術涉及一種空間柔性網機器人系統動力學建模方法，針對空間柔性網機器人系統的結構特點，提出一種能夠一定程度上反映空間柔性網機器人系統動力學特性的動力學建模方法。該方法的特點是將自主機動單元看作質點，將柔性網離散化為無質量彈性桿和質點的集合，并考慮了自主機動控制力的作用。該方法的主要步驟包括：建立建模參考坐標系和提出建模假設，空間柔性網機器人系統離散化為無質量彈性桿質點的集合，推導代表自主機動單元的質點和離散化的柔性網質點所受到的自主機動控制力和外部彈性力作用，將代表自主機動單元的質點和離散化的柔性網質點受到的外力公式代入參考坐標系下的希爾方程中，獲得空間柔性網機器人系統在參考系下的動力學模型。

【技術實現步驟摘要】
【專利摘要】本專利技術涉及，針對空間柔性網機器人系統的結構特點，提出一種能夠一定程度上反映空間柔性網機器人系統動力學特性的動力學建模方法。該方法的特點是將自主機動單元看作質點，將柔性網離散化為無質量彈性桿和質點的集合，并考慮了自主機動控制力的作用。該方法的主要步驟包括：建立建模參考坐標系和提出建模假設，空間柔性網機器人系統離散化為無質量彈性桿質點的集合，推導代表自主機動單元的質點和離散化的柔性網質點所受到的自主機動控制力和外部彈性力作用，將代表自主機動單元的質點和離散化的柔性網質點受到的外力公式代入參考坐標系下的希爾方程中，獲得空間柔性網機器人系統在參考系下的動力學模型。【專利說明】
本專利技術屬于新型航天器動力學建模研究的領域，具體涉及一種空間柔性網機器人系統的動力學建模的方法，為空間柔性網機器人系統提供了一種切實可行的動力學建模方法。
技術介紹
空間柔性網機器人系統是一種新型的“自主機動單元+柔性網”結構的空間機器人系統系統，主要應用于空間垃圾清理任務。空間柔性網機器人系統的基本思想是多個自主機動單元在空間展開一張具有一定覆蓋面積和強度的柔性網，進而多個自主機動單元牽引柔性網在空間中沿一定的軌道機動飛行，通過柔性網清掃途經空間范圍內的空間垃圾。當柔性網內空間垃圾達到一定數量時，自主機動單元將柔性網連同其內部的空間垃圾拖離軌道，或者降低軌道墜入大氣層銷毀，或者將空間垃圾拖入墳墓軌道。空間柔性網機器人系統的結構和任務過程如附圖1所示。空間柔性網機器人系統在任務距離、范圍和功能方面具有顯著的優勢:柔性網在捕獲任務中具有較大的容差能力，對空間平臺的影響較小；自主機動單元牽引柔性網機動飛行，能夠實現對中長距離目標的捕獲和清理；柔性網的面積可根據任務需求進一步增大，使得大空間范圍內多目標的捕獲任務成為可能。基于以上特點，空間柔性網機器人系統在空間垃圾清理、失效衛星捕獲等任務中具有廣泛的應用前景。“自主機動單元+柔性網”的組成結構使得空間柔性網機器人系統具備了較遠的任務距離和靈活的機動能力，在空間垃圾清理任務中具有諸多優勢。與此同時，柔性網結構使得空間柔性網機器人系統在空間中的動力學過程變得非常復雜，很難建立其精確的動力學模型。關于柔性網結構動力學模型的研究對空間柔性網機器人系統的動力學建模具有一定的參考價值。文獻(于洋，寶音賀西，李俊鋒.空間柔性網拋射展開過程動力學建模與仿真.宇航學報，2010，31 (5):1289-1296)和文獻(敬忠良，袁建平等.航天器自主操作的測量與控制.北京:中國宇航出版社，2011:493-518)將柔性網離散化為質點和彈性桿單元的結構，在此基礎上建立了柔性網的動力學模型；文獻(Provot X.Deformationconstraints in a mass-spring model to describe rigid cloth behavior.Proceedings of Graphics Interface,Quebec,Canada, 1995)米用質子彈簧模型建立了網結構的動力學模型。不同與普通的空間柔性網結構，空間柔性網機器人系統除了具備柔性網的結構特性外，還具備空間中的自主機動飛行的能力，其空間動力學模型將更加復雜。因此空間柔性網機器人系統的動力學建模方法的研究是空間柔性網機器人系統研究的重要研究內容。
技術實現思路
要解決的技術問題為了避免現有技術的不足之處，本專利技術提出。技術方案，其特征在于:將自主機動單元看作質量點，自主機動單元在參考系三個方向的正反均安裝了推力控制執行機構，空間柔性網機器人系統與目標運行在同一圓軌道，且忽略柔性網材料阻尼以及自主機動單元姿態變化對空間柔性網機器人系統運動的影響；建模步驟如下:步驟1、建立建模參考坐標系:以目標為原點建立軌道坐標系0txyz，x軸沿目標運行方向，I軸垂直于軌道平面，與軌道角速度方向一致，z軸沿目標向徑方向；步驟2:將柔性網離散化為mXn個的質點(i，j)的集合，各質點與相鄰的質點之間依靠只承受拉力不承受壓力的無質量彈性桿連接，并且彈性桿的彈性力僅由彈性桿拉伸應變決定；柔性網離散化模型四個角對角位置質點(1，1)、質點(l，n)、質點(m，I)和質點(m, η)代表自主機動單元的質點；步驟3、推導各質點所受合外力:質點(i, j)的質量表示為II^j,質點(i, j)在參考軌道坐標系下的位置矢量為Ru = T，在動力學模型的仿真與分析中忽略攝動力的影響，則質點(i，j)在軌道坐標系下受到的外力為:【權利要求】1.，其特征在于:將自主機動單元看作質量點，自主機動單元在參考系三個方向的正反均安裝了推力控制執行機構，空間柔性網機器人系統與目標運行在同一圓軌道，且忽略柔性網材料阻尼以及自主機動單元姿態變化對空間柔性網機器人系統運動的影響；建模步驟如下: 步驟1、建立建模參考坐標系:以目標為原點建立軌道坐標系OtXyz, X軸沿目標運行方向，Y軸垂直于軌道平面，與軌道角速度方向一致，z軸沿目標向徑方向； 步驟2:將柔性網離散化為mXn個的質點(i，j)的集合，各質點與相鄰的質點之間依靠只承受拉力不承受壓力的無質量彈性桿連接，并且彈性桿的彈性力僅由彈性桿拉伸應變決定；柔性網離散化模型四個角對角位置質點(1，I)、質點(l，n)、質點(m，I)和質點(m，η)代表自主機動單元的質點； 步驟3、推導各質點所受合外力:質點(i, j)的質量表示為n^j,質點(i, j)在參考軌道坐標系下的位置矢量為Ru = τ，在動力學模型的仿真與分析中忽略攝動力的影響，則質點(i，j)在軌道坐標系下受到的外力為: Fi, j = T = fi；J+Ti；J 其中:為僅存在于代表自主位姿控制單元的質點上的質點(i，j)的自主控制力，Ti，」為與質點連接的彈性桿應變有關的質點(i, j)受到相鄰質點的彈性力矢量和； 所述相鄰質點間彈性力矢量T’的幅值為: 【文檔編號】G06F17/50GK103729517SQ201410007037【公開日】2014年4月16日 申請日期:2014年1月8日 優先權日:2014年1月8日 【專利技術者】黃攀峰, 馬駿, 劉正雄, 孟中杰 申請人:西北工業大學本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種空間柔性網機器人系統動力學建模方法，其特征在于：將自主機動單元看作質量點，自主機動單元在參考系三個方向的正反均安裝了推力控制執行機構，空間柔性網機器人系統與目標運行在同一圓軌道，且忽略柔性網材料阻尼以及自主機動單元姿態變化對空間柔性網機器人系統運動的影響；建模步驟如下：步驟1、建立建模參考坐標系：以目標為原點建立軌道坐標系Otxyz，x軸沿目標運行方向，y軸垂直于軌道平面，與軌道角速度方向一致，z軸沿目標向徑方向；步驟2：將柔性網離散化為m×n個的質點(i,j)的集合，各質點與相鄰的質點之間依靠只承受拉力不承受壓力的無質量彈性桿連接，并且彈性桿的彈性力僅由彈性桿拉伸應變決定；柔性網離散化模型四個角對角位置質點(1,1)、質點(1,n)、質點(m,1)和質點(m,n)代表自主機動單元的質點；步驟3、推導各質點所受合外力：質點(i,j)的質量表示為mi,j，質點(i,j)在參考軌道坐標系下的位置矢量為Ri,j＝[xi,j,yi,j,zi,j]T，在動力學模型的仿真與分析中忽略攝動力的影響，則質點(i,j)在軌道坐標系下受到的外力為：Fi,j＝[Fxi,j,Fyi,j,Fzi,j]T＝fi,j+Ti,j其中：fi,j為僅存在于代表自主位姿控制單元的質點上的質點(i,j)的自主控制力，Ti,j為與質點連接的彈性桿應變有關的質點(i,j)受到相鄰質點的彈性力矢量和；所述相鄰質點間彈性力矢量T'的幅值為：|T′|=0ls≤dEAd(ls-d)ls>d]]>式中，ls為彈性桿的實際長度，d為彈性桿的標稱長度，E為彈性桿彈性模量，A為彈性桿面積。當ls≤d時，彈性力為0，彈性桿處于松弛狀態。步驟:4：將各質點合外力表達式代入參考坐標系下的希爾方程：在建立的參考軌道坐標系下的希爾方程為：x··-2ωz·=axy··+ω2y=ayz··+2ωx·-3ω2z=az]]>其中ax、ay、az為追蹤航天器的加速度，ω為平均運動；將各質點合外力表達式代入參考坐標系下的希爾方程得到空間柔性網機器人系統在參考軌道坐標系下的動力學模型如下：x··i,j-2ωz·i,j=Fxi,j=fxi,j+Txi,jmi,jy··i,j+ω2yi,j=Fyi,j=fyi,j+Tyi,jmi,jz··i,j+2ωx·i,j-3ω2zi,j=Fzi,j=fzi,j+Tzi,jmi,j.]]>...

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：黃攀峰，馬駿，劉正雄，孟中杰，
申請(專利權)人：西北工業大學，
類型：發明
國別省市：陜西;61