Optimal Motion Planning of the Space Manipulator for Minimum Reaction Torque to Satellite

卫星本体最小扰动的空间机械臂最优轨迹规划

徐智强,曾祥鑫,李景慧,贾兆岩

（中国兵器工业集团航空弹药研究院有限公司,哈尔滨150030）

摘要：

针对自由漂浮空间机器人机械臂的运动过程会对卫星本体姿态产生较大扰动的问题,本文提出基于hp-自适应高斯伪谱法的路径规划方法。该方法以卫星本体的最小反作用力矩为目标函数,自适应地确定每段的分段数和多项式阶数,以此来提高求解精度和求解效率。同时,创新性地证明了所设计方法的理论收敛性,保证了离散化非线性规划问题的解是原优化问题的最优解。对平面二自由度空间机械臂的仿真结果表明,该方法比分解加速度控制（RAC）方法和控制变量参数化（CVP）方法更有效,并且在计算速度和配点数量上都优于其他伪谱方法。

关键词：自由漂浮空间机器人;hp-自适应高斯伪谱法;路径规划;非线性规划

     

Attitude control of spacecraft during propulsion of swing thruster

As for orbit transfer vehicle (OTV) with multiple satellites/payloads carried,the release of each payload will bring serious change to the mass center of OTV and the thrust produced by the swing thrust...     

自由漂浮空间机器人力矩最优轨迹规划算法

针对自由漂浮空间机器人的轨迹规划问题,提出一种基于粒子群优化算法的机械臂关节角驱动力矩最优轨迹规划算法.首先通过对自由漂浮空间机器人系统的动力学方程进行分析,给出了以机械臂关节角驱动力矩为目标函数的轨迹最优控制算法,并采用高阶多项式插值方法逼近机械臂关节角轨迹,结合粒子群优化算法对机械臂关节角轨迹进行优化求解.数值仿真表明,规划出的关节角轨迹平滑连续,在完成自由漂浮空间机器人姿态调整任务的同时,机械臂关节角驱动力矩降至最低.     

大气层外拦截器开关式姿态控制律设计

以大气层外拦截器为背景,为了提高姿态控制系统对干扰力矩的鲁棒性,基于预测控制方法设计了开关式姿态控制律.将导引头视场约束和姿态角速度约束以输出约束的形式添加到预测控制的优化问题中,保证了目标不脱离视场.针对线性化后的姿态运动模型,采用约束"紧缩"的方法,通过适当的调整约束集,保证了算法的鲁棒性.在此基础上得到了带有开关输入的姿态控制对应的优化问题.仿真结果表明,本文给出的设计方法即使在存在较大干扰力矩的情况下仍然能够满足姿态控制精度要求.     

H型倾转推进两栖机器人水下姿态自抗扰控制

针对水陆两栖机器人推力不稳和环境扰动造成的姿态不稳定问题,设计了一种新型的将轮驱动与喷水推进进行复合的可倾转复合推进装置。将该可倾转复合推进装置应用在H构型两栖机器人中,基于推力倾转角分离控制策略和自抗扰控制原理设计了姿态自稳定控制器,并在耦合自由度上采用异步调节机制。使用Simulink/ADAMS联合仿真平台进行姿态稳定仿真验证,并确定了具有较好效果的控制器参数;物理样机运行实验表明,H型两栖机器人可以完成预设运动,姿态自稳定控制器能够将该机器人水下运行时的姿态抖动抑制在5°以内。     

Resonance Suppression Strategy for Humanoid Robot Arm

To address the problem of resonance in the control of a robot arm, a resonance suppression strategy is proposed for a single-joint humanoid robot arm based on the proportional-resonant(PR) controller. First, an arm joint model of the humanoid robot is established. Then the influence of resonance frequency on the performance of the control system with the robot arm is analyzed. The voltage fluctuation of the drive motor caused by the changes in arm motion is recognized as the disturbance of the current loop. The PR controller has the characteristic of disturbance rejection at a specific frequency. The output fluctuation of the driving system caused by the change of arm motion state at the resonance frequency is suppressed. Therefore the output current of the inverter will not be affected by the vibration of the arm at the resonance frequency. Finally, the control system is verified by MATLAB/Simulink simulation. The simulation results demonstrate that the control strategy for the humanoid robot arm based on the PR controller can suppress the resonance of the arm effectively, improving the dynamic performance and system stability.     

卫星姿态调节的滑模PID控制器设计

针对刚体卫星的姿态调节问题,提出了一种滑模PID控制器设计方法.根据李亚普诺夫方法,推导出了采用PID形式的切换面的滑模PID控制器.在卫星转动惯量参数存在不确定性和存在外干扰时,该控制律也具有全局稳定性和鲁棒性.最后对卫星姿态控制系统进行了仿真研究.结果表明,所设计的控制方案在实现姿态调节控制的同时,对于卫星转动惯量的摄动及外部扰动力矩是鲁棒的.     

航天器姿态跟踪的几乎干扰解耦控制

研究了有界干扰力矩作用下航天器姿态跟踪的几乎干扰解耦控制问题.采用修正罗德里格参数（MRP）作为航天器的姿态描述.利用非线性系统中的微分几何理论,通过反馈线性化方法设计跟踪控制器,使得在实现姿态跟踪的同时,实现了对系统的几乎干扰解耦控制,即在L2增益意义下实现了从干扰到跟踪误差的影响任意小,并通过Lyapunov方法证...     

Bionic Attitude Transformation Combined with Closed Motion for a Free Floating Space Robot

In order to realize the small error attitude transformation of a free floating space robot,a new method of three degrees of freedom(DOF) attitude transformation was proposed for the space robot using a bionic joint.A general kinematic model of the space robot was established based on the law of linear and angular momentum conservation.A combinational joint model was established combined with bionic joint and closed motion.The attitude transformation of planar,two DOF and three DOF is analyzed and simulated by the model,and it is verified that the feasibility of attitude transformation in three DOF space.Finally,the specific scheme of disturbance elimination in attitude transformation is presented and simulation results are obtained.Therefore,the range of application field of the bionic joint model has been expanded.     

基于L2增益稳定的航天器鲁棒姿态控制

研究了有界干扰输入下的航天器姿态调节控制问题,设计了鲁棒姿态控制算法,使得从干扰力矩输入到系统某一指定的性能输出的L2增益小于任意给定的正常数,从而实现了对干扰力矩的抑制.避开了直接求解使闭环系统L2增益小于给定值的某个相应的Hamilton-Jacobi-Isaacs偏微分方程或不等式的困难.通过选取恰当的Lyapunov函数,分析证明了前述L2增益是小于任意给定的正值,保证了闭环系统的状态轨迹在有界干扰作用下是全局最终一致有界的.仿真结果验证了所提出的鲁棒控制方案的有效性.     

基于最优控制的刚体航天器姿态控制研究

为了研究航天器在不利环境下的姿态控制问题，利用最优控制方法讨论带有2个动画飞轮的航天器姿态控制问题，通常航天器使用3个动量飞轮用于控制其姿态和任意定位，当其中1个轮失效，在系统角动量为零的情况下，可以将系统的控制问题转化为无漂移系统的运动规划问题，利用最优控制方法提出求解带有2个动量飞轮航天器的姿态控制算法，通过数值仿真，表明该方法对航天器姿态控制是有效的。     

多小型飞行器自主编队姿态协同控制方法

针对多小型飞行器空间自主编队姿态协同飞行任务,研究了空间多小型飞行器自主编队在空间干扰影响下的姿态协同控制问题.考虑到编队无法获取外界参考信息,需要进行自主编队的情况,提出一种编队姿态协同控制方法.首先,提出的控制方法基于小型飞行器绝对姿态信息实现编队姿态协同,能够适应多种编队通信拓扑结构,并且对于外干扰力矩具有较强的鲁棒性;然后,根据Lyapunov定理,从理论上证明了闭环系统的稳定性和收敛性;最后,通过数值仿真验证了理论分析结果及所提出控制方法的有效性.研究结果表明,所提出的控制方法能够在干扰力矩作用下,利用小型飞行器绝对姿态信息实现编队姿态协同,且能够适应多种编队构型.     

基于RBF网络上界自适应学习的预警卫星滑模控制

分析了RBF(径向基函数)神经网络的基本结构和数学特性,对于预警卫星动力学系统的不确定性上界值无法测量和未知的情况,采用RBF神经网络可以对较强干扰上界进行自适应学习,并可降低控制和动力学带来的抖振。针对带有摆镜的预警卫星姿态控制问题,提出了一种基于神经网络扰动补偿的姿态滑模控制方法。针对RBF网络正交最小二乘(OLS)学习算法,采用RBF神经网络来学习不确定因素的上界值,并设计了预警卫星的姿态控制规律,解决了预警卫星动力学扰动补偿问题。利用数值仿真估算了基于RBF网络上界自适应学习滑模控制的预警卫星姿态控制系统的性能指标。     

卫星姿态控制系统鲁棒故障诊断方法

针对卫星姿控系统的鲁棒故障诊断问题,在未知输入观测器(UIO)基础上,提出利用非线性未知输入观测器(NUIO)对执行机构和敏感器故障诊断.考虑姿控系统存在外部干扰以及系统不确定性,建立姿控系统非线性模型,设计NUIO对部分干扰和系统不确定性解耦,令未解耦部分到系统残差H∝范数作为性能指标使之最优,运用线性矩阵不等式(L...     

基于递归小波神经网络的UAV姿态变结构优化控制

无人机的姿态控制易受外界气流干扰和模型参数摄动影响,为了提高其姿态控制的精度和稳定度,提出了将变结构控制与递归小波神经网络相结合的优化鲁棒控制律.构建并分析了无人机的姿态运动模型,采用变结构控制来设计无人机姿态运动的稳定控制律,将递归小波神经网络加入到控制闭环回路中以实现变结构控制律的优化,减弱控制律对模型准确度的依赖性,并在仿真验证中与传统方法进行了比较.结果表明,该控制律能够提高其姿态控制的稳定性,且具有较强鲁棒性、较短收敛时间和较小能量消耗,从而证明了本文方法的有效性和可行性.     

A comparing design of satellite attitude control system based on reaction wheel

The disturbance caused by the reaction wheel with a current controller greatly influences the accuracy and stability of the satellite attitude control system. To solve this problem, the idea of speed feedback compensation control reaction wheel is put forward. This paper introduces the comparison on design and performance of two satellite attitude control systems, which are separately based on the current control reaction wheel and the speed feedback compensation control reaction wheel. Analysis shows that the speed feedback compensation con- trol flywheel system may effectively suppress the torque fluctuation. Simulation results indicate that the satellite attitude control system with the speed feedback compensation control flywheel has improved performance.     

基于粒子群算法的航天器姿态运动规划

当将万向节的相对转动角速度作为航天器系统姿态运动规划的控制输入变量时,由于航天器系统的控制输入的数目少于系统的自由度数目,系统的姿态运动成为典型的欠驱动非完整系统的运动规划问题,其运动控制问题变得非常复杂。提出了一种应用粒子群算法优化系统姿态运动规划的数值算法。数值仿真结果表明了该方法的有效性。     

一种人体头部运动姿态的测量方法

为了解决人体头部在空间环境中运动时,头部的不良姿态对人体身心健康的影响,设计了一种三维姿态传感器用于测量人体头部运动姿态．三维姿态传感器以单片机为处理核心,恒温系统保证系统的测量精度,两路MEMS高精度加速度传感器测量X轴和Y轴姿态,MEMS磁强计测量Z轴姿态,测得的姿态信号经过16位ADC转换器进行模数转换后,由单片机完成数据处理,通过CAN将三种初始姿态信息欧拉角、方向余弦和四元数传输到计算机．用户可以根据不同需要选择一种初始数据采用专用软件实时计算所需的姿态角、速度和位移量等姿态信息．通过计算结果分析,得出人们在不同环境空间里人体身心最佳状态时头部运动的角度、速度和位移等的姿态信息范围,为人们在以后的生活和工作中更好的调控人体头部姿态提供一个标准,使人体始终处在一个舒适愉悦的状态．实验结果表明三维姿态传感器的测量精度分别达到0．08°、0．03°、0．05°,达到了一般实际工程的测量精度要求,且此方法快速、简单、切实可行．     

Feedforward attitude control for a TDRS with mobile antennas

TrackingandDataRelaySatelliteSystems(TDRSS)cancost effectivelyprovidenearlyworld widecoveragetomannedandunmannedLEO/MEOspacecrafts.Primeexamplesarethespaceshuttle,theHubblespacetelescope,SpaceStationFreedom,andthepolarorbitingplatforms.ThecurrentTDRSSsatel literesourceswillbeexpendedandanewgenerationofrelaysatelliteswillberequiredtoensurecontinuityofuserspacecraftsupportandprovidethecapabilityofin troducingnewandimprovedservers[1].TheTrackingandDataRelaySatellite(TDRS)isalargespac…     

考虑控制输入饱和的卫星姿态调节控制

研究了刚体卫星在控制输入饱和、外干扰和参数不确定性存在时的姿态调节控制问题.设计了可动态调节参数的控制器,能够保证姿态和角速度都是渐近趋于零的.通过李亚普诺夫方法证明了闭环系统零平衡点的全局渐近稳定性.所提出的控制方案不依赖于卫星的转动惯量,因此对参数不确定性具有鲁棒性.仿真结果表明,在控制输入饱和情况下,所设计的控制方案在实现姿态控制的同时,对外部扰动也能够有效地抑制.