面向在軌維護(hù)的自由漂浮空間機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制研究.pdf

1、人類日益頻繁而復(fù)雜的空間探索活動(dòng)，使得空間飛行器在軌服務(wù)技術(shù)成為近年來(lái)研究熱點(diǎn)。空間機(jī)器人系統(tǒng)在空間飛行器在軌維護(hù)領(lǐng)域具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性，特別是采用自由漂浮空間機(jī)器人系統(tǒng)執(zhí)行在軌維護(hù)任務(wù)，具有壽命長(zhǎng)和安全性好等優(yōu)勢(shì)。而自由漂浮空間機(jī)器人能否順利執(zhí)行在軌維護(hù)任務(wù)，其運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制方法研究是重要的基礎(chǔ)和需要迫切解決的關(guān)鍵理論與技術(shù)問(wèn)題，因此開(kāi)展相關(guān)方面研究具有重要的理論與實(shí)際意義。
　　為實(shí)現(xiàn)自由漂浮空間機(jī)器人在軌維護(hù)任務(wù)中涉及的目

2、標(biāo)安全交會(huì)接近、目標(biāo)捕獲的軌跡規(guī)劃、穩(wěn)定的軌跡跟蹤控制等任務(wù)，本文考慮自由漂浮空間機(jī)器人系統(tǒng)所具有的有別于固定基座機(jī)器人一些特殊性質(zhì)，在分析自由漂浮空間機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)之上，重點(diǎn)研究接近一類非合作空間目標(biāo)的安全交會(huì)路徑規(guī)劃問(wèn)題，回避動(dòng)力學(xué)奇異的軌跡規(guī)劃問(wèn)題，約束基座姿態(tài)變化的軌跡規(guī)劃問(wèn)題,自適應(yīng)軌跡跟蹤控制與自適應(yīng)魯棒軌跡跟蹤控制等問(wèn)題。具體研究?jī)?nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面：
　　本文首先在軌道坐標(biāo)系下，建立自由漂浮空間機(jī)

3、器人（追蹤衛(wèi)星）運(yùn)動(dòng)方程；在慣性坐標(biāo)系內(nèi)推導(dǎo)非完整約束條件下自由漂浮空間機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，分析由非完整約束導(dǎo)致的系統(tǒng)廣義雅可比矩陣動(dòng)力學(xué)參數(shù)相關(guān)特性，給出自由漂浮空間機(jī)器人可達(dá)工作空間，并基于廣義雅可比矩陣求解系統(tǒng)的奇異空間；利用Lagrange方程建立基于擴(kuò)展機(jī)械臂的自由漂浮空間機(jī)器人關(guān)節(jié)空間動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)系統(tǒng)內(nèi)動(dòng)態(tài)問(wèn)題進(jìn)行分析，為后續(xù)章節(jié)的展開(kāi)提供研究基礎(chǔ)。
　　針對(duì)外層太空環(huán)境的自由漂浮空間機(jī)器人（追蹤衛(wèi)星）交會(huì)路徑規(guī)劃

4、問(wèn)題，本文提出軌道坐標(biāo)系內(nèi)安全接近一類非合作空間目標(biāo)的交會(huì)路徑規(guī)劃方法。首先研究自由漂浮空間機(jī)器人整體交會(huì)路徑規(guī)劃策略和最終接近階段交會(huì)路徑規(guī)劃的安全性原則；然后采用由安全原則生成的自由漂浮空間機(jī)器人移動(dòng)橢圓軌跡，最終接近一類自旋的非合作空間目標(biāo)。該方法實(shí)現(xiàn)空間機(jī)器人系統(tǒng)能夠以自由漂浮工作模式接近該類非合作空間目標(biāo)，并且有利于安全逃逸。
　　由于自由漂浮空間機(jī)器人系統(tǒng)角動(dòng)量守恒方程不可積，導(dǎo)致系統(tǒng)廣義雅可比矩陣奇異與動(dòng)力學(xué)慣性參數(shù)

5、有關(guān)，形成動(dòng)力學(xué)奇異性問(wèn)題，增加了軌跡規(guī)劃難度。本文針對(duì)非完整約束導(dǎo)致的系統(tǒng)廣義雅可比矩陣動(dòng)力學(xué)奇異性問(wèn)題，采用基于運(yùn)動(dòng)方程分解的方案，通過(guò)構(gòu)造迭代函數(shù)得到一種間接求解逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方法，避免直接求解逆廣義雅可比矩陣，將動(dòng)力學(xué)奇異轉(zhuǎn)換為運(yùn)動(dòng)學(xué)奇異問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)自由漂浮空間機(jī)器人回避動(dòng)力學(xué)奇異的非完整軌跡規(guī)劃。
　　自由漂浮空間機(jī)器人系統(tǒng)基座處于自由漂浮狀態(tài)，因而機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)對(duì)基座姿態(tài)會(huì)產(chǎn)生擾動(dòng)，即由于機(jī)械臂與基座之間動(dòng)力學(xué)耦合作用導(dǎo)致系統(tǒng)存在

6、姿態(tài)干擾特性，但是基座姿態(tài)的穩(wěn)定對(duì)于確保衛(wèi)星與地球通訊以及太陽(yáng)能電池正常工作非常重要。本文針對(duì)自由漂浮空間機(jī)器人系統(tǒng)存在的姿態(tài)干擾特性，采用冗余機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)約束基座姿態(tài)變化的同時(shí)保證末端執(zhí)行器完成軌跡規(guī)劃任務(wù)，重點(diǎn)對(duì)基座姿態(tài)零擾動(dòng)的自由漂浮空間機(jī)器人相關(guān)運(yùn)動(dòng)學(xué)基本理論和軌跡規(guī)劃進(jìn)行研究。為實(shí)現(xiàn)自由漂浮空間機(jī)器人在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的基座姿態(tài)零擾動(dòng)，引入了具有非完整特性的基座姿態(tài)零擾動(dòng)約束方程，提出一種基座姿態(tài)零擾動(dòng)的非完整軌跡規(guī)劃方法。該方法

7、可以僅通過(guò)規(guī)劃?rùn)C(jī)械臂運(yùn)動(dòng)，即保證機(jī)械臂末端達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)又同時(shí)確?；藨B(tài)零擾動(dòng)。
　　自由漂浮空間機(jī)器人系統(tǒng)中存在一些難以精確確定的系統(tǒng)參數(shù),要滿足高精度地跟蹤設(shè)計(jì)軌跡，控制器必須具有自適應(yīng)能力，能夠自動(dòng)修正控制器中的某些參數(shù)以適應(yīng)變化的控制對(duì)象。為解決笛卡爾空間的參考軌跡無(wú)法在關(guān)節(jié)空間中實(shí)現(xiàn)的困難以及避免系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程不能線性參數(shù)化的問(wèn)題，本文采用擴(kuò)展機(jī)械臂法并在笛卡爾空間內(nèi)研究自由漂浮空間機(jī)器人自適應(yīng)軌跡跟蹤問(wèn)題。在推導(dǎo)系統(tǒng)笛卡

8、爾空間內(nèi)動(dòng)力學(xué)方程基礎(chǔ)上，針對(duì)系統(tǒng)慣性參數(shù)不確定問(wèn)題研究了笛卡爾空間復(fù)合自適應(yīng)軌跡跟蹤控制問(wèn)題，設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制器，分析其穩(wěn)定性，仿真結(jié)果表明這種自適應(yīng)控制策略都能夠保證對(duì)末端執(zhí)行器期望軌跡的穩(wěn)定漸近跟蹤。
　　針對(duì)自由漂浮空間機(jī)器人系統(tǒng)同時(shí)還存在外部干擾等非參數(shù)不確定性問(wèn)題，本文研究自由漂浮空間機(jī)器人自適應(yīng)魯棒軌跡跟蹤控制問(wèn)題。建立了同時(shí)考慮機(jī)械臂和基座外部干擾的笛卡爾空間自由漂浮空間機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型；分析假設(shè)外部干擾界形式已知情