(19)国家知识产权局 (12)发明 专利 (10)授权公告 号 (45)授权公告日 (21)申请 号 202110235471.0 (22)申请日 2021.03.03 (65)同一申请的已公布的文献号 申请公布号 CN 112966333 A (43)申请公布日 2021.06.15 (73)专利权人 西北工业大 学 地址 710072 陕西省西安市友谊西路127号 (72)发明人 张帆　侯新宇　张校祯　黄攀峰　 刘正雄　董刚奇　 (74)专利代理 机构 西安凯多 思知识产权代理事 务所(普通 合伙) 61290 专利代理师 刘新琼 (51)Int.Cl. G06F 30/15(2020.01) G06F 30/27(2020.01)G06N 3/08(2006.01) B64G 4/00(2006.01) G06F 119/14(2020.01) 审查员 沈晴 (54)发明名称 一种绳系飞网捕获非合作目标的碰撞中心 估计方法 (57)摘要 本发明公开了一种绳系飞网捕获非合作目 标的碰撞中心估计方法， 首先建立空间绳系飞网 机器人系统动力学模型， 接下来 设计可机动单元 系绳拉力观测器， 然后计算碰撞时刻可机动单元 拉力突变峰值， 最后采用基于BP神经网络的算法 估计碰撞中心点位置。 本发明不依靠非合作目标 相对速度、 质量等信息， 可 以快速直接通过输入 可机动单 元系绳拉力精确估计 碰撞中心点。 权利要求书3页 说明书7页 附图1页 CN 112966333 B 2022.09.13 CN 112966333 B 1.一种绳系飞网捕获 非合作目标的碰撞中心估计方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 步骤1： 建立空间绳系飞网机器人系统动力学模型； 空间绳系飞网机器人系统包括四个可机动单 元； 空间绳系飞网机器人系统采用弹簧 ‑质杆动力学模型， 空间绳系飞网的每个系绳节点 的质量表示 为： 其中， i表示飞网中的节点,mCM表示可机动单元质量， ρ 是飞网绳段材料的密度， A 是飞网 绳段的横截面积， l是飞网中未伸长的网格边长； 飞网相邻质点间的系绳拉力矢量表示 为： 其中， 是从第i个节点到第j个节点的单位向量， ri是飞网相邻质点间实际长度； Fi＝(k (l‑l0)+β kv)表示飞网相邻质点间的系绳拉力大小， l0是每个飞网网格绳段的实际长度， k 是 飞网绳段的弹性系数， k＝EA/l0， E是飞网绳段材料的杨氏模量， β 是飞网绳段的阻尼系数， ξ 是飞网绳段 材料的阻尼比， ν 是网格末节点所在轴向相对速度的映射； 根据牛顿第二定律得到飞网中每 个质点的动力学 方程为： miai＝∑Fi+Fext                                                    (3) 其中， ai是质点运动加速度， ∑Fi是每个质点系绳拉力之和， Fext表示重力和碰撞力之 和； 四个可机动单 元的动力学模型为： mCMaCM＝Fj1+Fj2+Fext                                               (4) 其中， Fj1和Fj2分别表示与可机动单 元相连接的两段绳子的拉力； 步骤2： 设计可机动单 元系绳拉力观测器； 可机动单 元非线性系统定义 为： 其中， 为可机动单元加速度， ΣF表示与可机动单元相连接的绳子所受的拉力之和， u 为可机动单 元的控制输入， d为未知外 部扰动的不确定性影响； 设 定义流形为： 其中， β(x1,x2)为待选额外补偿函数； x是定义的流形中的未知量， 和 分别为可机动 单元的速度和 加速度； 是d的估计值； 设z为系统扰动估计误差， 则 权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 112966333 B 2进一步得到四个可机动单 元构成的非线性系统： 其中， 为可机动单 元的速度， w1为外部扰动的估计值； 定义e1为跟踪误差且e1＝x1‑xd1， 则 引入虚拟控制量 定义e2为 跟踪误差且e2＝x2‑αq， 由此得： x2＝e2+αq                                                        (9) 设计扰动估计 自适应律w及额外补偿项β(x1,x2)， 使流形保持不变， 对系统扰动估计误 差z求导得： 定义扰动估计自适应律 w为： 将式(12)带入式(1 1)中得： 步骤3： 计算碰撞时刻可机动单 元拉力突变峰值； 根据步骤2中观测得出的可机动单元系绳突变拉力， 得到干扰力与拉力峰值分离表达 式为： Ff＝f(xtd)＝Fd+F                                                (14) Fd＝f(x0)                                                        (15) F＝Ff‑Fd                                                       (16) 其中， Ff表示可机动单元突变时刻峰值， f(xtp)表示拉力观测器， Fd表示耦合干扰力， F表 示突变时刻拉力， f(x0)表示非碰撞时刻系绳拉力观测器； 步骤4： 基于BP神经网络飞网碰撞训练过程如下： 假定空间绳系飞网为 正方形， 大小为 Q*Q， 飞网 网格边长为S； 在飞网中取P个样本点； 训练样本集Fp为： Fp＝[F1k,F2k,F3k,F4k]                                             (17) 其中， F1k,F2k,F3k,F4k分别表示样本集中碰撞时刻四个可机动单元拉力突变峰值， k代表 样本序号， k ＝1,2,...P； 神经网络参数为： A＝[F11,F21,F31,F41]                                                (18)权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 112966333 B 3