一种面向空间翻滚目标的自旋-章动协同抑制方法及系统

1.本发明属于航空航天技术领域，具体涉及一种面向空间翻滚目标的自旋-章动协同抑制方法及系统。


背景技术：

2.失效卫星、火箭上面级等空间非合作目标通常呈翻滚状态，对其直接抓捕的难度极大。为提高捕获的安全性，往往需要先进行消旋，使目标处在较低的旋转速度，进而开展抓捕。当前，所提出了电磁力消旋、发动机羽流消旋、静电力消旋等非接触式消旋方案以及毛刷消旋、机械脉冲消旋等接触式消旋方案，其中发动机羽流消旋、毛刷消旋、机械脉冲消旋等方案可对目标施加具有特定指向性外力，能够产生较大的消旋力矩，是高效的消旋方案。然而，这些方案在面对呈三轴旋转的翻滚目标时，由于目标的复杂运动而难以确定施力位置及施力时机等参数，从而限制了消旋方案的应用。
3.在羽流消旋方法时简单考虑过章动抑制，通过控制羽流的指向，使得其冲击产生的消旋力矩分量与目标角速度的三个分量均反向，即同时衰减三轴角速度。在基于刚性杆的脉冲式消旋方法中也遵循了这一章动抑制思路，通过选取合适的接触位置，使得每次接触时的脉冲力产生的力矩与角速度完全反向，同时抑制三轴角速度分量。
4.以上消旋-章动抑制方案中，所遵循的限制条件均是理想条件，要求外力产生的力矩同时与目标三轴角速度相反，而满足该严苛限制条件的操作时间窗口极短，导致消旋任务实施极其困难，方案可行性差。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的需要严苛的限制条件，才能完成消旋任务，导致完成消旋任务难度大的问题，本发明提供了一种面向空间翻滚目标的自旋-章动协同抑制方法及系统，通过使用自旋-章动协同抑制的目标受力位置预测模型对获取空间翻滚目标的数据进行仿真预测，确定消旋条件，从而确保空间翻滚目标的章动得到最高效地抑制，有效降低后续消旋任务难度。
6.为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
7.一种面向空间翻滚目标的自旋-章动协同抑制方法，包括：
8.获取空间机器人的位姿数据，根据所获取空间机器人的位姿数据控制空间机器人抵近空间翻滚目标；
9.所述空间机器人抵近空间翻滚目标后，空间机器人对空间翻滚目标进行测量，通过对空间翻滚目标进行测量以获取空间翻滚目标的实时状态数据；
10.使用自旋-章动协同抑制的目标受力位置预测模型基于所述获取空间翻滚目标的实时状态数据进行仿真预测，确定空间机器人中消旋工具所需的消旋条件；
11.空间机器人根据所述消旋条件调整位姿，并操控消旋工具，与空间翻滚目标发生接触，实施接触消旋。
12.作为本发明的进一步改进，所述使用自旋-章动协同抑制的目标受力位置预测模型基于所述获取空间翻滚目标的实时状态数据进行仿真预测，其中：
13.自旋-章动协同抑制的目标受力位置预测模型构建，包括：
14.实现最优自旋-章动协同抑制的目标受力位置由下公式确定：
[0015][0016]
式中，h为优化函数的目标值，rf为目标本体坐标系下外力在目标上的初始作用位置，[t0,t1]为每次施加外力的起止时间，ω＝[ω
x
,ωy,ωz]
t
为空间翻滚目标的角速度，td＝[t
x
,ty,tz]
t
为目标本体坐标系下消旋外力对目标产生的力矩。
[0017]
作为本发明的进一步改进，所述自旋-章动协同抑制的目标受力位置预测模型构建，其中：
[0018]
定义空间翻滚目标的本体固连坐标系为o
b-xbybzb，其为惯性主轴坐标系，则该空间翻滚目标的转动惯量为i＝diag{i
x
,iy,iz}，需要满足
[0019][0020]
即空间翻滚目标的最大转动惯量轴为obzb轴。
[0021]
作为本发明的进一步改进，所述目标本体坐标系下消旋外力对目标产生的力矩，其中：
[0022]
td＝(
bai
f)
×br
p
[0023]
式中，f为接触中消旋工具对目标的外力；
bai
为全局坐标系到目标本体坐标系的坐标转换矩阵；br
p
为目标本地坐标系下的接触位置。
[0024]
作为本发明的进一步改进，所述接触中消旋工具对目标的外力由系统动力学模型仿真求解获得。
[0025]
作为本发明的进一步改进，所述接触中消旋工具对目标的外力由系统动力学模型仿真求解获得，包括：
[0026]
基于系统动力学模型，开展消旋工具与空间翻滚目标接触过程仿真，为每一次接触开展初始接触位置预测，从而引导空间机器人操控消旋工具实施自旋-章动抑制。
[0027]
作为本发明的进一步改进，所述系统动力学模型是基于空间机器人与空间翻滚目标形成的模型，用于预测消旋工具与空间翻滚目标的接触位置。
[0028]
作为本发明的进一步改进，所述空间机器人根据所述消旋条件调整位姿，并操控消旋工具，与空间翻滚目标发生接触，实施消旋，产生作用于空间翻滚目标的消旋外力，使得空间翻滚目标的章动得到抑制。
[0029]
作为本发明的进一步改进，所述空间机器人根据所述消旋条件调整位姿，并操控消旋工具，与空间翻滚目标发生接触，实施消旋，之后：
[0030]
空间机器人调整位姿，重新采集空间机器人位姿的数据，开始新一轮的消旋过程。
[0031]
一种面向空间翻滚目标的自旋-章动协同抑制系统，包括：
[0032]
控制抵近模块：用于获取空间机器人的位姿数据，根据所获取空间机器人的位姿数据控制空间机器人抵近空间翻滚目标；
[0033]
测量目标模块：用于所述空间机器人抵近空间翻滚目标后，空间机器人对空间翻滚目标进行测量，通过对空间翻滚目标进行测量以获取空间翻滚目标的实时状态数据；
[0034]
仿真预测模块：用于使用自旋-章动协同抑制的目标受力位置预测模型基于所述获取空间翻滚目标的实时状态数据进行仿真预测，确定空间机器人中消旋工具所需的消旋条件；
[0035]
消旋操控模块：用于空间机器人根据所述消旋条件调整位姿，并操控消旋工具，与空间翻滚目标发生接触，实施接触消旋。
[0036]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0037]
针对现有方法的不足，本发明提出了一种面向空间翻滚目标的自旋-章动协同抑制方法，通过对空间翻滚目标进行测量与重构，获取空间翻滚目标的特征参数和实时状态数据，并采用自旋-章动协同抑制的目标受力位置预测模型基于得到的空间翻滚目标的实时数据进行仿真预测，确定所需消旋条件，从而确保空间翻滚目标的章动得到最高效地抑制，使得消旋工具在消旋过程中快速抑制目标章动，使空间翻滚目标的姿态运动由复杂的三轴旋转快速接近单轴自旋，从而有效降低后续消旋任务难度。由于本发明可在消旋任务初期高效抑制目标章动，从而有效降低后续消旋任务难度，提升了空间翻滚目标的消旋任务可行性，因此本发明能够对翻滚状态的太空碎块进行快速消旋，服务于在轨抓捕清理，减少太空垃圾，节约轨道资源。
附图说明
[0038]
图1为本发明一种面向空间翻滚目标的自旋-章动协同抑制方法的流程示意图；
[0039]
图2为本发明一种面向空间翻滚目标的自旋-章动协同抑制方法的实施流程图；
[0040]
图3为本发明的空间机器人抵近空间翻滚目标示意图；
[0041]
图4为本发明的空间机器人对空间翻滚目标实施消旋示意图；
[0042]
图5为本发明实施例中的空间翻滚目标结构示意图；
[0043]
图6为本发明实施例中的空间机器人抵近空间翻滚目标示意图；
[0044]
图7为本发明实施例中空间机器人接触空间翻滚目标示意图；
[0045]
图8为本发明实施例中空间翻滚目标角速度变化曲线；
[0046]
图9为本发明实施例中每次接触对应的预测函数值；
[0047]
图10为本发明实施例中帆板边缘上的初始接触位置分布
[0048]
图11为本发明一种面向空间翻滚目标的自旋-章动协同抑制系统的结构示意图。
具体实施方式
[0049]
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0050]
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本技术所属领域的一般技术人员的通常理解的含
义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
[0051]
针对现有技术中存在的需要严苛的限制条件，才能完成消旋任务，导致完成消旋任务难度大的问题，本发明提供了一种面向空间翻滚目标的自旋-章动协同抑制方法。如图1所示，该方法包括：
[0052]
获取空间机器人的位姿数据，根据所获取空间机器人的位姿数据控制空间机器人抵近空间翻滚目标；
[0053]
所述空间机器人抵近空间翻滚目标后，空间机器人对空间翻滚目标进行测量，通过对空间翻滚目标进行测量以获取空间翻滚目标的实时状态数据；
[0054]
使用自旋-章动协同抑制的目标受力位置预测模型基于所述获取空间翻滚目标的实时状态数据进行仿真预测，确定空间机器人中消旋工具所需的消旋条件；
[0055]
空间机器人根据所述消旋条件调整位姿，并操控消旋工具，与空间翻滚目标发生接触，实施接触消旋。
[0056]
以下结合附图对本发明具体进行详细说明：
[0057]
空间机器人采用长毛刷作为消旋工具，安装在机械臂末端，通过多次接触目标，实施自旋-章动抑制。首先建立空间机器人和空间翻滚目标组成的消旋系统动力学模型，然后通过该模型进行接触效果仿真，用于预测接触位置。通过自旋-章动协同抑制的目标受力位置预测模型来预测每一次接触的初始位置，空间机器人操作消旋毛刷与空间翻滚目标发生接触，实施空间翻滚目标自旋-章动协同抑制。
[0058]
如图2所示，本发明一种面向空间翻滚目标的自旋-章动协同抑制方法的实施流程如下：
[0059]
s1：空间机器人抵近至空间翻滚目标运动包络的外围，如图3所示，保持一定的安全距离避免发生碰撞，同时便于开展后续接触操作；
[0060]
s2：空间机器人使用携带的测量设备，对空间翻滚目标进行状态测量与重构，获取空间翻滚目标的惯性参数及实时运动状态信息；
[0061]
s3：空间机器人在与空间翻滚目标接触前，基于消旋动力学模型开展仿真预测，采用自旋-章动协同抑制的目标受力位置预测模型，预测消旋工具在空间翻滚目标上的初始作用位置，进而确定消旋工具所需的满足的消旋条件，即其期望的位置和方向；
[0062]
自旋-章动协同抑制的目标受力位置预测模型是通过定义空间翻滚目标的本体固连坐标系为o
b-xbybzb，其为惯性主轴坐标系，则该空间翻滚目标的转动惯量为i＝diag{i
x
,iy,iz}，其满足
[0063][0064]
即空间翻滚目标的最大转动惯量轴为obzb轴。
[0065]
实现最优自旋-章动协同抑制的目标受力位置可由公式(2)确定
[0066]
[0067]
公式(2)中h为优化函数的目标值，rf为目标本体坐标系下外力在目标上的初始作用位置，[t0,t1]为每次施加外力的起止时间，ω＝[ω
x
,ωy,ωz]
t
为空间翻滚目标的角速度，td＝[t
x
,ty,tz]
t
为目标本体坐标系下消旋外力对目标产生的力矩。其中，
[0068]
td＝(
bai
f)
×br
p
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0069]
公式(3)中f为接触中消旋工具对目标的外力，由系统动力学模型仿真求解获得；
bai
为全局坐标系到目标本体坐标系的坐标转换矩阵；br
p
为目标本地坐标系下的接触位置。
[0070]
基于消旋系统动力学模型，可以开展接触过程仿真，为每一次接触开展初始接触位置预测，从而引导空间机器人操控消旋工具实施自旋-章动抑制。
[0071]
s4：空间机器人操控消旋工具，使其满足s确定的消旋条件后，如图4所示，与空间翻滚目标发生接触，实施消旋；
[0072]
s5：一次接触过程结束后，空间机器人调整位姿，准备进入下次接触消旋过程，返回s1。
[0073]
实施例
[0074]
假设空间机器人携带的毛刷消旋工具可以等效为一根软杆，等效软杆长1m，弹性模量为80mpa，等效直径为0.02m，目标为常规构型的卫星，空间翻滚目标结构示意图如图5所示，基座为正方体，边长为2m，太阳能帆板长为4m，太阳能帆板宽为2m，太阳能帆板厚度0.02m，两块帆板对称分布，卫星总质量2000kg，转动惯量为diag{1500,1800,2400}kg
·
m2。目标卫星自由漂浮，角速度为[-1.2,1.5,6]
°
/s，帆板的外边缘及上下边缘区域为可接触区域。
[0075]
实施过程：
[0076]
s1：空间机器人抵近旋转目标，与目标质心保持约6.5m距离，机器人中心保持在空间翻滚目标质心所在o-xz平面附近，如图6所示。
[0077]
s2：空间机器人使用携带的测量设备，对空间翻滚目标进行状态测量与重构，获取目标的实时运动状态信息及构型等参数。
[0078]
s3：设定消旋工具在接触初始时刻处于目标质心所在的o-xz平面，并与期望接触的目标帆板边缘垂直，且使用工具中部区域首先接触目标。在该场景限定下，结合目标接触前的运动状态信息，基于消旋系统动力学模型(空间机器人+目标卫星)开展接触过程仿真，采用自旋-章动协同抑制的目标受力位置预测模型，预测消旋工具在目标上的初始作用位置，然后根据接触场景设定，可以确定消旋工具所需满足的消旋条件，即其期望的位置和方向；
[0079]
s4：空间机器人调整位姿，并操控消旋工具，使其满足s3确定的消旋条件后，如图7所示，与空间翻滚目标发生接触，实施消旋，产生作用于空间翻滚目标的消旋外力；
[0080]
s5：一次接触过程结束后，空间机器人调整位姿，准备进入下次接触消旋过程，轮流接触两块帆板。返回s1。
[0081]
自旋-章动抑制过程的仿真结果如下图所示，图8为空间翻滚目标旋转角速度变化曲线，可以看到，目标的章动和自旋均得到有效抑制；图9为每次接触过程中，s3对应的预测函数值；图10为每次接触过程对应的初始接触位置分布，编号表示对应的第几次接触。
[0082]
如图11所示，本发明的第二个目的在于提出一种面向空间翻滚目标的自旋-章动协同抑制系统，包括：
[0083]
控制抵近模块：用于获取空间机器人的位姿数据，根据所获取空间机器人的位姿数据控制空间机器人抵近空间翻滚目标；
[0084]
测量目标模块：用于所述空间机器人抵近空间翻滚目标后，空间机器人对空间翻滚目标进行测量，通过对空间翻滚目标进行测量以获取空间翻滚目标的实时状态数据；
[0085]
仿真预测模块：用于使用自旋-章动协同抑制的目标受力位置预测模型基于所述获取空间翻滚目标的实时状态数据进行仿真预测，确定空间机器人中消旋工具所需的消旋条件；
[0086]
消旋操控模块：用于空间机器人根据所述消旋条件调整位姿，并操控消旋工具，与空间翻滚目标发生接触，实施接触消旋。
[0087]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0088]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0089]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0090]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0091]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

技术特征：
1.一种面向空间翻滚目标的自旋-章动协同抑制方法，其特征在于，包括：获取空间机器人的位姿数据，根据所获取空间机器人的位姿数据控制空间机器人抵近空间翻滚目标；所述空间机器人抵近空间翻滚目标后，空间机器人对空间翻滚目标进行测量，通过对空间翻滚目标进行测量以获取空间翻滚目标的实时状态数据；使用自旋-章动协同抑制的目标受力位置预测模型基于所述获取空间翻滚目标的实时状态数据进行仿真预测，确定空间机器人中消旋工具所需的消旋条件；空间机器人根据所述消旋条件调整位姿，并操控消旋工具，与空间翻滚目标发生接触，实施接触消旋。2.根据权利要求1所述的一种面向空间翻滚目标的自旋-章动协同抑制方法，其特征在于，所述使用自旋-章动协同抑制的目标受力位置预测模型基于所述获取空间翻滚目标的实时状态数据进行仿真预测，其中：自旋-章动协同抑制的目标受力位置预测模型构建，包括：实现最优自旋-章动协同抑制的目标受力位置由下公式确定：式中，h为优化函数的目标值，r
f
为目标本体坐标系下外力在目标上的初始作用位置，[t0,t1]为每次施加外力的起止时间，ω＝[ω
x
,ω
y
,ω
z
]
t
为空间翻滚目标的角速度，t
d
＝[t
x
,t
y
,t
z
]
t
为目标本体坐标系下消旋外力对目标产生的力矩。3.根据权利要求2所述的一种面向空间翻滚目标的自旋-章动协同抑制方法，其特征在于，所述自旋-章动协同抑制的目标受力位置预测模型构建，其中：定义空间翻滚目标的本体固连坐标系为o
b-x
b
y
b
z
b
，其为惯性主轴坐标系，则该空间翻滚目标的转动惯量为i＝diag{i
x
,i
y
,i
z
}，需要满足即空间翻滚目标的最大转动惯量轴为o
b
z
b
轴。4.根据权利要求2所述的一种面向空间翻滚目标的自旋-章动协同抑制方法，其特征在于，所述目标本体坐标系下消旋外力对目标产生的力矩，其中：t
d
＝(
b
a
i
f)
×
b
r
p
式中，f为接触中消旋工具对目标的外力；
b
a
i
为全局坐标系到目标本体坐标系的坐标转换矩阵；
b
r
p
为目标本地坐标系下的接触位置。5.根据权利要求4所述的一种面向空间翻滚目标的自旋-章动协同抑制方法，其特征在于，所述接触中消旋工具对目标的外力由系统动力学模型仿真求解获得。6.根据权利要求5所述的一种面向空间翻滚目标的自旋-章动协同抑制方法，其特征在于，所述接触中消旋工具对目标的外力由系统动力学模型仿真求解获得，包括：
基于系统动力学模型，开展消旋工具与空间翻滚目标接触过程仿真，为每一次接触开展初始接触位置预测，从而引导空间机器人操控消旋工具实施自旋-章动抑制。7.根据权利要求6所述的一种面向空间翻滚目标的自旋-章动协同抑制方法，其特征在于，所述系统动力学模型是基于空间机器人与空间翻滚目标形成的模型，用于预测消旋工具与空间翻滚目标的接触位置。8.根据权利要求1所述的一种面向空间翻滚目标的自旋-章动协同抑制方法，其特征在于，所述空间机器人根据所述消旋条件调整位姿，并操控消旋工具，与空间翻滚目标发生接触，实施消旋，产生作用于空间翻滚目标的消旋外力，使得空间翻滚目标的章动得到抑制。9.根据权利要求1所述的一种面向空间翻滚目标的自旋-章动协同抑制方法，其特征在于，所述空间机器人根据所述消旋条件调整位姿，并操控消旋工具，与空间翻滚目标发生接触，实施消旋，之后：空间机器人调整位姿，重新采集空间机器人位姿的数据，开始新一轮的消旋过程。10.一种面向空间翻滚目标的自旋-章动协同抑制系统，其特征在于，包括：控制抵近模块：用于获取空间机器人的位姿数据，根据所获取空间机器人的位姿数据控制空间机器人抵近空间翻滚目标；测量目标模块：用于所述空间机器人抵近空间翻滚目标后，空间机器人对空间翻滚目标进行测量，通过对空间翻滚目标进行测量以获取空间翻滚目标的实时状态数据；仿真预测模块：用于使用自旋-章动协同抑制的目标受力位置预测模型基于所述获取空间翻滚目标的实时状态数据进行仿真预测，确定空间机器人中消旋工具所需的消旋条件；消旋操控模块：用于空间机器人根据所述消旋条件调整位姿，并操控消旋工具，与空间翻滚目标发生接触，实施接触消旋。

技术总结
本发明公开了一种面向空间翻滚目标的自旋-章动协同抑制方法及系统，属于航空航天技术领域，包括获取空间机器人的位姿数据，根据所获取空间机器人的位姿数据控制空间机器人抵近空间翻滚目标；所述空间机器人抵近空间翻滚目标后，空间机器人对空间翻滚目标进行测量，通过对空间翻滚目标进行测量以获取空间翻滚目标的实时状态数据；使用自旋-章动协同抑制的目标受力位置预测模型基于所述获取空间翻滚目标的实时状态数据进行仿真预测，确定空间机器人中消旋工具所需的消旋条件；空间机器人根据所述消旋条件调整位姿，并操控消旋工具，与空间翻滚目标发生接触，实施接触消旋。本发明可在消旋任务初期高效抑制目标章动，有效降低后续消旋任务难度。降低后续消旋任务难度。降低后续消旋任务难度。


技术研发人员：代洪华 陈昊 左宸昊 曹煦阳 赵弘骞 岳晓奎
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2023.08.21
技术公布日：2023/10/15