非合作目標對接路徑規(guī)劃及柔順控制研究.pdf

1、隨著航天技術的發(fā)展,空間對接由合作目標對接向非合作目標對接發(fā)展。利用非合作目標對接技術可實現(xiàn)空間任意飛行器之間的對接,擴展空間活動范圍,如實現(xiàn)空間垃圾清理、衛(wèi)星回收、燃料補給、零件更換、系統(tǒng)升級等空間活動。非合作目標對接技術具有很高的應用價值和軍事意義,世界各航天大國都在積極進行研究和試驗。我國對非合作目標對接技術的研究落后于發(fā)達國家。因此,加快研究空間非合作目標對接技術十分迫切。本文以具有能源消耗低特點的自由漂浮模式空間機械臂系統(tǒng)為研

2、究對象,對其在執(zhí)行非合作目標抓捕任務中的相關問題進行了研究,主要包括空間機械臂最佳碰撞構型的規(guī)劃問題,抓捕前空間機械臂系統(tǒng)的路徑規(guī)劃問題以及空間機械臂系統(tǒng)的柔順控制問題。
　　通過對空間機械臂系統(tǒng)的速度分析,推導出其運動學方程;采用拉格朗日方程法完成了系統(tǒng)動力學模型的建立;結合動量表達式,推導出系統(tǒng)的廣義雅可比矩陣,為后續(xù)最佳碰撞構型及路徑規(guī)劃等相關問題研究做好了充分的理論準備。
　　基于角動量定理,研究了空間機械臂系統(tǒng)在執(zhí)

3、行非合作目標抓捕任務中的最佳碰撞構型問題,確定了最佳碰撞構型的判斷依據(jù),分析了系統(tǒng)及其各組成部分的角動量受碰撞力的影響,完成了自由漂浮六自由度空間機械臂系統(tǒng)的最佳碰撞構型規(guī)劃?？臻g機械臂保持最佳碰撞構型,可對系統(tǒng)在抓捕任務中產(chǎn)生的角動量增量實現(xiàn)有效控制,提高了非合作目標對接的安全性和可靠性。
　　開展了空間機械臂系統(tǒng)路徑規(guī)劃的研究,包括點到點路徑規(guī)劃及連續(xù)路徑的規(guī)劃。連續(xù)路徑規(guī)劃包括連續(xù)位姿追蹤規(guī)劃和基座姿態(tài)無擾動路徑規(guī)劃。由于系

4、統(tǒng)基座姿態(tài)的改變易對機械臂運動產(chǎn)生較大的干擾,影響路徑規(guī)劃中機械臂末端位姿的追蹤精度。本文重點研究了基座姿態(tài)無擾動下的路徑規(guī)劃,保證空間機械臂系統(tǒng)準確到達期望位置的同時,實現(xiàn)系統(tǒng)基座姿態(tài)不受擾動,并使空間機械臂各關節(jié)保持捕獲前最佳碰撞構型狀態(tài)。
　　為有效減小空間機械臂系統(tǒng)在抓捕過程中產(chǎn)生的碰撞力,本文研究了空間機械臂系統(tǒng)的柔順控制問題。將非接觸阻抗控制算法應用于空間機械臂系統(tǒng),在傳統(tǒng)阻抗控制算法的基礎上,利用虛擬接觸的概念,建立