空間機器人自主捕獲目標的軌跡規(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)與應用能力的不斷提高,通過空間機器人進行自主在軌服務的意義和作用日益凸顯,而空間機器人自主捕獲目標的軌跡規(guī)劃與控制是實現(xiàn)在軌服務的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文結(jié)合國家863計劃航天領(lǐng)域某項目,以對目標航天器自主捕獲及捕獲后目標?？康仍谲壏詹僮鳛閼帽尘?開展了空間機器人動力學建模仿真、目標航天器自主捕獲、目標抓捕后復合體姿態(tài)調(diào)整和目標轉(zhuǎn)移路徑規(guī)劃、目標捕獲后軌跡跟蹤控制、半物理仿真試驗系統(tǒng)等方面的研究,以期推動我國

2、空間機器人在軌服務技術(shù)的發(fā)展。
　　針對空間機器人動力學建模進行研究,基于拉格朗日法推導空間機器人系統(tǒng)運動學和動力學方程,并對其非完整約束特性進行分析,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,為滿足空間機器人地面半物理仿真試驗系統(tǒng)對實時性、計算精度以及穩(wěn)定性的要求,引入R-W方法,從計算多體動力學的角度建立空間機器人動力學模型,并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了動力學計算軟件,通過仿真驗證了動力學模型的有效性。
　　空間機器人

3、自主捕獲目標是在軌服務任務得以實施的前提和先決條件。本文研究了空間機器人自主目標捕獲的視覺伺服軌跡規(guī)劃方法,建立虛擬機械臂模型,并在此基礎(chǔ)上采用蒙特卡羅法對空間機器人工作空間進行分析與仿真。為避免視覺伺服捕獲過程中目標偏離相機視場、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捕獲的視覺伺服協(xié)調(diào)控制方法,包括相機視場約束和關(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

4、械臂末端運動,同時引入?yún)f(xié)調(diào)控制方法減少機械臂運動所引起的基座姿態(tài)偏差;仿真結(jié)果表明該方法可實現(xiàn)在基座姿態(tài)、相機視場及關(guān)節(jié)運動范圍受限條件下的目標捕獲。
　　針對空間機器人目標捕獲后復合體姿態(tài)調(diào)整和目標轉(zhuǎn)移路徑規(guī)劃問題,通過正弦多項式函數(shù)對機械臂關(guān)節(jié)角軌跡參數(shù)化,根據(jù)基座姿態(tài)和機械臂末端位姿控制精度指標設(shè)計目標函數(shù),由此將自由漂浮空間機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、問題進行求解,實現(xiàn)了非完整路徑規(guī)劃的目標,并通過仿真驗證了該方法的有效性。
　　針對空間機器人捕獲目標后系統(tǒng)參數(shù)不確定情況下的軌跡跟蹤控制問題進行了研究,推導了自由飛行空間機器人參數(shù)線性化形式的動力學模型,設(shè)計了反步自適應控制律,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器人系統(tǒng),設(shè)計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)計了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反步自適應控制律,仿真結(jié)果表明該方法可實現(xiàn)軌跡