一种基于预设性能的轮控探测器单次翻滚的运动控制方法

本发明涉及小行星探测器的，具体而言，涉及一种基于预设性能的轮控探测器单次翻滚的运动控制方法。

背景技术：

1、现有技术中的很多控制方法例如lqr（线性二次型调节）、反馈控制、模糊pid（进程控制符）等，皆应用于立方体探测器在斜面以及平面上的自平衡运动，但是在上述方法的应用中都是处于地球环境中进行考虑的，并未考虑到小行星特殊的微重力环境和小天体逃逸速度小、表面接触点环境和条件不确定以及各项稳定附着的接触约束条件，并且只针对了平衡位置进行控制，没有对其余运动形式的控制模型进行控制律设计。

2、现有技术中对于微重力环境下小行星表面轮控探测器的运动控制方法研究不够充分，在已有针对相同构型的立方体轮控探测器的研究中，所提出的经典控制方法中不便于体现约束设计，而由于小行星的特殊性，其微重力、表面环境等不准确性因素都会给轮控探测器在小行星表面进行单次翻滚时的运动控制造成稳定性的影响，导致在执行目标任务时的不可靠性，目前对于此种情况下的轮控探测器控制缺乏精确性，并且在轮控探测器进行单次翻滚运动时，速度的控制不够精准使得轮控探测器完成单个翻滚动作后与地面再次接触时速度较大，碰撞后导致轮控探测器内部载荷与结构功能受到影响。

技术实现思路

1、本发明要解决的问题是：控制轮控探测器单次翻滚过程的速度，避免对轮控探测器内部载荷与结构功能造成影响，提高微重力环境下对于轮控探测器的控制精确性。

2、为解决上述问题，本发明提供一种基于预设性能的轮控探测器单次翻滚的运动控制方法，包括：

3、步骤s1，定义并基于轮控探测器的本体坐标系和地面坐标系，通过拉格朗日力学建立得到所述轮控探测器于小行星表面进行单次翻滚过程的动力学模型；

4、步骤s2，基于所述动力学模型，利用动力学进行分析得到所述轮控探测器在当前位置的法向力和切向力以及所述轮控探测器于运动状态下的所需向心力和实际向心力，并基于所述法向力、所述切向力、所述所需向心力和所述实际向心力设定所述轮控探测器于当前位置的不滑移限制条件和于运动状态下的地面始终接触条件；

5、步骤s3，获取并根据所述轮控探测器的任务需求建立所述轮控探测器于小行星表面进行单次翻滚过程中的理想运动轨迹；

6、步骤s4，引入预设性能函数边界，将所述轮控探测器的实际质心位置与所述理想运动轨迹之间的跟踪误差进行转换得到转换误差并对所述转换误差进行有界控制，以及基于所述转换误差，针对所述动力学模型的一阶子系统和二阶子系统分别引入虚拟控制输入和实际控制律对所述轮控探测器进行运动控制，以使所述单次翻滚过程中所述跟踪误差位于所述预设性能函数边界内。

7、优选的，所述步骤s1中，定义所述本体坐标系为，定义所述地面坐标系为，定义所述运动反向坐标系为，所述本体坐标系的原点为所述轮控探测器的质心，所述轮控探测器的左右方向为，所述轮控探测器的前后方向为，通过右手定则得到，所述地面坐标系的原点为所述轮控探测器所在运动表面上的任意一点，和处于地面平面内，所述轮控探测器的左右方向为，所述轮控探测器的前后方向为，通过右手定则得到。

8、优选的，所述步骤s2中，通过以下计算公式得到所述切向力和所述法向力：

9、；

10、其中，

11、表示所述法向力；

12、表示所述切向力；

13、表示所述轮控探测器的质量；

14、表示所述轮控探测器当前位置的重力加速度；

15、表示所述轮控探测器的广义坐标；

16、表示所述轮控探测器所处斜面与水平面的夹角；

17、表示所述轮控探测器的总动能；

18、表示所述轮控探测器的质心与小行星接触点之间的距离；

19、表示所述轮控探测器的翻转角速度；

20、表示所述轮控探测器的绕旋转轴的转动惯量。

21、优选的，所述步骤s2中设定的所述不滑移限制条件为：

22、；

23、其中，

24、表示所述法向力；

25、表示所述切向力；

26、表示地面摩擦系数，取值1.5。

27、优选的，所述步骤s2中，通过以下计算公式得到所述所需向心力和所述实际向心力：

28、；

29、其中，

30、表示所述所需向心力；

31、表示所述实际向心力；

32、表示所述轮控探测器的质量；

33、表示所述轮控探测器当前位置的重力加速度；

34、表示所述轮控探测器所处斜面与水平面的夹角；

35、表示所述法向力；

36、表示所述切向力；

37、表示所述轮控探测器的翻转角速度；

38、表示所述轮控探测器的边长。

39、优选的，所述步骤s2中设定的所述地面始终接触条件为：

40、；

41、其中，

42、表示所述所需向心力；

43、表示所述实际向心力；

44、表示所述轮控探测器的翻转角速度；

45、表示所述轮控探测器当前位置的重力加速度；

46、表示所述轮控探测器所处斜面与水平面的夹角；

47、表示所述轮控探测器的边长。

48、优选的，所述步骤s3中，所述理想运动轨迹的表达式为：

49、；

50、其中，

51、表示所述轮控探测器的理想运动轨迹函数；

52、表示所述轮控探测器的边长；

53、表示以对数函数决定轨迹的变化率。

54、优选的，所述步骤s4中，所述预设性能函数边界的表达式为：

55、；

56、其中，

57、表示在控制过程中定义的状态误差；

58、表示所述预设性能函数边界的下边界；

59、表示所述预设性能函数边界的上边界；

60、表示状态误差的初值；

61、表示定义参数，决定上下边界范围；

62、表示预设性能控制中的性能函数；

63、表示定义的末状态性能函数的边界值。

64、优选的，所述步骤s4中，通过以下计算方式得到所述转换误差：

65、；

66、其中，

67、表示所述转换误差；

68、表示同过转化限制误差值的中间值；

69、表示所述跟踪误差；

70、表示所述预设性能函数边界的下边界；

71、表示所述预设性能函数边界的上边界。

72、本发明具有以下有益效果：本发明中基于轮控探测器的两个坐标系，利用拉格朗日力学建立轮控探测器在单次翻滚运动时的动力学模型以用作后续分析，通过分析计算法向力、切向力、所需向心力、实际向心力并以此设定不滑移限制条件和地面始终接触条件，来使得轮控探测器满足稳定附着于小行星表面的接触力条件，结合理论运动轨迹的情况下，使得轮控探测器在以边翻滚进行单次翻滚运动时，与小行星表面保持稳定接触，在翻滚动作完成并与小行星表面接触时速度为零，以避免在落地过程中带有速度与小行星表面发生相对碰撞，进而对轮控探测器内部载荷与结构功能造成影响，同时本发明还能够基于轮控探测器实际质心位置与理想运动轨迹之间的跟踪误差，通过一定非线性关系对跟踪误差进行转换并对转换后的转换误差进行有界控制，对动力学模型的一阶子系统引入虚拟控制输入进行运动控制，对动力学模型的二阶子系统引入实际控制律进行运动控制，使得跟踪误差始终处在设定的预设性能函数边界内，提高微重力环境下对于轮控探测器控制的精确性。