空間機(jī)器人自主捕獲目標(biāo)的軌跡規(guī)劃與控制研究.pdf

1、隨著空間技術(shù)的發(fā)展以及空間開發(fā)與應(yīng)用能力的不斷提高,通過空間機(jī)器人進(jìn)行自主在軌服務(wù)的意義和作用日益凸顯,而空間機(jī)器人自主捕獲目標(biāo)的軌跡規(guī)劃與控制是實(shí)現(xiàn)在軌服務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文結(jié)合國家863計(jì)劃航天領(lǐng)域某項(xiàng)目,以對目標(biāo)航天器自主捕獲及捕獲后目標(biāo)停靠等在軌服務(wù)操作為應(yīng)用背景,開展了空間機(jī)器人動力學(xué)建模仿真、目標(biāo)航天器自主捕獲、目標(biāo)抓捕后復(fù)合體姿態(tài)調(diào)整和目標(biāo)轉(zhuǎn)移路徑規(guī)劃、目標(biāo)捕獲后軌跡跟蹤控制、半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)等方面的研究,以期推動我國

2、空間機(jī)器人在軌服務(wù)技術(shù)的發(fā)展。
　　針對空間機(jī)器人動力學(xué)建模進(jìn)行研究,基于拉格朗日法推導(dǎo)空間機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)方程,并對其非完整約束特性進(jìn)行分析,以此作為研究非完整路徑規(guī)劃和軌跡跟蹤控制的基礎(chǔ)。此外,為滿足空間機(jī)器人地面半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性、計(jì)算精度以及穩(wěn)定性的要求,引入R-W方法,從計(jì)算多體動力學(xué)的角度建立空間機(jī)器人動力學(xué)模型,并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了動力學(xué)計(jì)算軟件,通過仿真驗(yàn)證了動力學(xué)模型的有效性。
　　空間機(jī)器人

3、自主捕獲目標(biāo)是在軌服務(wù)任務(wù)得以實(shí)施的前提和先決條件。本文研究了空間機(jī)器人自主目標(biāo)捕獲的視覺伺服軌跡規(guī)劃方法,建立虛擬機(jī)械臂模型,并在此基礎(chǔ)上采用蒙特卡羅法對空間機(jī)器人工作空間進(jìn)行分析與仿真。為避免視覺伺服捕獲過程中目標(biāo)偏離相機(jī)視場、規(guī)劃的關(guān)節(jié)角、角速度超出限位問題,提出了一種多約束條件下目標(biāo)捕獲的視覺伺服協(xié)調(diào)控制方法,包括相機(jī)視場約束和關(guān)節(jié)極限約束排斥力函數(shù)的建立,基于人工勢能場法在圖像空間生成規(guī)劃軌跡,并通過圖像雅克比矩陣將其映射為機(jī)

4、械臂末端運(yùn)動,同時(shí)引入?yún)f(xié)調(diào)控制方法減少機(jī)械臂運(yùn)動所引起的基座姿態(tài)偏差;仿真結(jié)果表明該方法可實(shí)現(xiàn)在基座姿態(tài)、相機(jī)視場及關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍受限條件下的目標(biāo)捕獲。
　　針對空間機(jī)器人目標(biāo)捕獲后復(fù)合體姿態(tài)調(diào)整和目標(biāo)轉(zhuǎn)移路徑規(guī)劃問題,通過正弦多項(xiàng)式函數(shù)對機(jī)械臂關(guān)節(jié)角軌跡參數(shù)化,根據(jù)基座姿態(tài)和機(jī)械臂末端位姿控制精度指標(biāo)設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù),由此將自由漂浮空間機(jī)器人的非完整笛卡爾路徑規(guī)劃問題轉(zhuǎn)換為非線性系統(tǒng)的優(yōu)化問題;進(jìn)而采用量子粒子群優(yōu)化算法對該非線性優(yōu)化

5、問題進(jìn)行求解,實(shí)現(xiàn)了非完整路徑規(guī)劃的目標(biāo),并通過仿真驗(yàn)證了該方法的有效性。
　　針對空間機(jī)器人捕獲目標(biāo)后系統(tǒng)參數(shù)不確定情況下的軌跡跟蹤控制問題進(jìn)行了研究,推導(dǎo)了自由飛行空間機(jī)器人參數(shù)線性化形式的動力學(xué)模型,設(shè)計(jì)了反步自適應(yīng)控制律,并給出了控制器參數(shù)與系統(tǒng)暫態(tài)性能之間的關(guān)系。針對自由漂浮空間機(jī)器人系統(tǒng),設(shè)計(jì)了一種將約束輸出轉(zhuǎn)化為無約束控制變量的變換,然后針對此無約束控制變量設(shè)計(jì)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反步自適應(yīng)控制律,仿真結(jié)果表明該方法可實(shí)現(xiàn)軌跡