面向空間捕獲的機(jī)器人路徑規(guī)劃與控制器設(shè)計(jì).pdf

1、空間機(jī)器人，特別是具有自主性的空間機(jī)器人在空間捕獲任務(wù)中具有廣泛的應(yīng)用和很好的優(yōu)越性。為了實(shí)現(xiàn)空間機(jī)器人在捕獲目標(biāo)過(guò)程中的自主性、運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃以及穩(wěn)定的軌跡跟蹤控制等任務(wù)要求，本文考慮自由漂浮空間機(jī)器人系統(tǒng)，給出了運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和動(dòng)力學(xué)方程，重點(diǎn)研究空間機(jī)器人系統(tǒng)在捕獲過(guò)程中遇到障礙物的情況下如何安全的到達(dá)目標(biāo)位置的路徑規(guī)劃問(wèn)題，空間機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃的時(shí)間最優(yōu)控制問(wèn)題以及考慮模型不確定性與外加干擾的軌跡跟蹤控制問(wèn)題。研究?jī)?nèi)容具體包括以下四

2、個(gè)方面。
　　第一，本文首先建立了空間機(jī)器人系統(tǒng)的模型，并且給出了空間機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程；利用拉格朗日方程建立了空間機(jī)器人系統(tǒng)的關(guān)節(jié)空間的動(dòng)力學(xué)模型，作為后面章節(jié)的研究基礎(chǔ)。
　　第二，針對(duì)空間捕獲過(guò)程中存在障礙物的情況，本文采用基于人工勢(shì)場(chǎng)函數(shù)的方法在關(guān)節(jié)空間進(jìn)行路徑規(guī)劃。首先利用機(jī)械臂和障礙物的幾何構(gòu)型特點(diǎn)，采用碰撞檢測(cè)的方法，將空間中的障礙物轉(zhuǎn)換到關(guān)節(jié)空間，得到關(guān)節(jié)空間中的障礙區(qū)域和自由區(qū)域，在關(guān)節(jié)空間建立人工勢(shì)場(chǎng)，

3、由于人工勢(shì)場(chǎng)存在局部極小值的缺點(diǎn)，本文提出了一種力的合成規(guī)則來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。最后在關(guān)節(jié)空間進(jìn)行路徑搜索，得到一條沒(méi)有和障礙物碰撞的路徑。
　　第三，針對(duì)空間捕獲運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃控制問(wèn)題，把其轉(zhuǎn)換成具有標(biāo)準(zhǔn)型的最優(yōu)控制問(wèn)題，本文采用控制參數(shù)化思想、時(shí)間尺度變換技術(shù)與約束變換技術(shù)把上述最優(yōu)控制問(wèn)題構(gòu)造成為參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題。在優(yōu)化過(guò)程中考慮目標(biāo)泛函與約束條件泛函，并給出泛函對(duì)于參數(shù)的顯式梯度公式，然后采用優(yōu)化算法計(jì)算出一組近似解，通過(guò)增加分段點(diǎn)

4、數(shù)量一直到得到滿(mǎn)意的最優(yōu)解為止。最后，對(duì)自由漂浮空間機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行了仿真與分析。
　　第四，考慮到實(shí)際的軌跡運(yùn)動(dòng)中存在外界干擾和模型的不確定性等因素的影響，給出了具有擾動(dòng)情形下的空間機(jī)器人系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，提出了一種能夠在有限時(shí)間收斂并且具有魯棒性和抗干擾性能的非奇異快速終端滑模面，基于提出的滑模面對(duì)空間機(jī)械臂軌跡跟蹤問(wèn)題進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的控制器很好的解決了有擾動(dòng)情況下的軌跡跟蹤問(wèn)題，通過(guò)仿真分析驗(yàn)證了該方法的魯棒性和抗干擾