一种轮控探测器在小行星环境下的连续翻滚运动控制方法

本发明涉及小行星探测器的，具体而言，涉及一种轮控探测器在小行星环境下的连续翻滚运动控制方法。

背景技术：

1、小行星是21世纪深空探测活动的重要目标，小行星探测已成为主要的发展方向，但是受限于动力学和控制问题的复杂性，只有基于动量轮跳跃的表面移动方案得到了保留，开展对基于跳跃行走方案的表面巡视器的动力学和控制算法的研究，另外小行星探测还可以促进空间科技应用发展，为深空探测关键技术提供验证平台，因此开展对上述问题的研究和仿真验证是十分有意义的。

2、其次是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行星逃逸速度小、表面接触点环境与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。

3、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成分，在轮控探测器进行连续翻滚运动时，速度的控制不够精准使得轮控探测器完成每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，同时，在连续翻滚运动过程中，当轮控探测器具有探测需求目标时，难以精准实现小行星表面滚动的全路径运动，存在微重力环境下的控制精确性问题。

技术实现思路

1、本发明要解决的问题是：控制轮控探测器连续翻滚过程的速度，避免对轮控探测器内部载荷与结构功能造成影响，精准实现在小行星表面滚动时的全路径运动，提高微重力环境下的控制精确性。

2、为解决上述问题，本发明提供一种轮控探测器在小行星环境下的连续翻滚运动控制方法，包括：

3、步骤s1，定义并基于轮控探测器的本体坐标系、地面坐标系和运动方向坐标系，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连续翻滚过程中的动力学模型；

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连续翻滚过程中的理想运动轨迹；

6、步骤s4，获取并基于所述轮控探测器的期望收敛时间建立改进性能函数，随后基于所述改进性能函数得到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转换误差，以及基于所述转换误差，引入虚拟控制输入和鲁棒控制律对所述轮控探测器进行运动控制，以使所述转换误差位于预设性能边界函数范围内。

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，所述运动方向坐标系的原点为所述轮控探测器以边翻滚时所绕边上的中点，与处于地面平面内，所述轮控探测器的运动方向为，的方向与相垂直，通过右手定则得到。

8、优选的，所述步骤s1中，所述地面坐标系下的坐标分量通过第一基元旋转矩阵转换至所述运动方向坐标系下，所述运动方向坐标系下的坐标分量通过第二基元旋转矩阵和第三基元旋转矩阵转换至所述本体坐标系下。

9、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：

10、；

11、其中，

12、表示所述法向力；

13、表示所述切向力；

14、表示所述轮控探测器的质量；

15、表示所述轮控探测器当前位置的重力加速度；

16、表示所述轮控探测器的广义坐标；

17、表示所述轮控探测器所处斜面与水平面的夹角；

18、表示所述轮控探测器的总动能；

19、表示所述轮控探测器的质心与小行星接触点之间的距离；

20、表示所述轮控探测器的翻转角速度；

21、表示所述轮控探测器绕旋转轴的转动惯量。

22、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：

23、；

24、其中，

25、表示所述所需向心力；

26、表示所述实际向心力；

27、表示所述轮控探测器的质量；

28、表示所述轮控探测器当前位置的重力加速度；

29、表示所述轮控探测器所处斜面与水平面的夹角；

30、表示所述法向力；

31、表示所述切向力；

32、表示所述轮控探测器的翻转角速度；

33、表示所述轮控探测器的边长。

34、优选的，所述步骤s3中，所述理想运动轨迹的表达式如下：

35、；

36、其中，

37、表示所述理想运动轨迹；

38、表示理想变化曲线；

39、表示轮控探测器翻滚的变化频率；

40、表示所述轮控探测器翻滚的时长；

41、表示所述轮控探测器已完成翻滚的次数；

42、表示所述任务需求中的期望运行次数；

43、表示所述轮控探测器的边长。

44、优选的，所述步骤s4中，通过以下计算公式得到所述改进性能函数：

45、；

46、其中，

47、表示所述改进性能函数；

48、表示所述改进性能函数的初值；

49、表示所述改进性能函数的稳态值；

50、表示所述期望收敛时间；

51、表示所述改进性能函数的设计参数。

52、优选的，所述步骤s4中，通过以下计算公式得到所述转换误差：

53、；

54、其中，

55、表示所述转换误差；

56、表示所述轮控探测器的实际质心位置；

57、表示所述理想运动轨迹；

58、表示所述改进性能函数；

59、表示系统状态误差。

60、优选的，所述步骤s4中，所述虚拟控制输入的表达式如下：

61、；

62、其中，

63、表示所述虚拟控制输入；

64、表示第一可调设计参数；

65、表示性能函数；

66、表示所述理想运动轨迹的一阶导数；

67、表示所述性能参数的一阶导数；

68、表示设计参数；

69、表示实际质心位置与所述理想运动轨迹之间的状态误差。

70、优选的，所述步骤s4中，所述鲁棒控制律的表达式如下：

71、；

72、其中，

73、表示所述鲁棒控制律；

74、表示所述轮控探测器绕旋转轴的转动惯量；

75、表示所述轮控探测器的质量；

76、表示所述轮控探测器的质心与小行星接触点之间的距离；

77、表示所述轮控探测器内无刷直流电机的扭矩参数；

78、表示第二可调设计参数；

79、表示设计参数；

80、表示所述轮控探测器当前位置的重力加速度；

81、表示所述轮控探测器枢轴点与质心连线和竖直方向的夹角；

82、表示所述轮控探测器所处斜面与水平面的夹角；

83、表示虚拟控制输出；

84、表示所述轮控探测器的角速度。

85、本发明具有以下有益效果：本发明中基于轮控探测器的三个坐标系，利用拉格朗日力学建立轮控探测器在连续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，使得轮控探测器在每次以边翻滚进行连续运动时，与小行星表面保持稳定接触，在每个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转换误差，引入虚拟控制输入和鲁棒控制律对轮控探测器进行运动控制，实现精准控制轮控探测器在小行星表面滚动的全路径运动，提高微重力环境下的控制精确性。