空间机器人捕获目标的自适应控制

本文首先推导了基座姿态受控空间机器人系统运动学关系,得到了广义雅可比矩阵。根据目标的运动来规划机械臂末端在惯性空间的期望轨迹。对机器人动力学和运动学关系进行线性参数化,分别对动力学待估参数和运动学待估参数设计在线修正律,在关键空间采用自适应控制。对于存在动力学参数不确定性的机器人系统,该自适应控制算法保证了系统的渐近稳定,在完成目标捕获任务的同时,控制基座姿态保持在期望范围之内。以平面两关节空间机器人系统为对象进行了仿真,结果表明了算法的可行性和有效性。     

空间机器人姿态稳定方法研究

研究机器人动态优化问题,空间机器人的动力学耦合特性会影响系统的稳定性.空间机器人由于机械运动基座产生扰动,影响姿态稳定.通过建立空间机器人的动力学模型,结合动力学耦合特性分析了空间机器人的零反作用空间.提出基于零反作用空间的基座姿态稳定方法,实现了机械臂与基座的动力学解耦.不采用反作用飞轮或反作用喷气装置,即可使空间机器人的基座姿态达到稳定,达到了节省星上能源,延长空间机器人使用寿命的目的.在Matlab上进行数值仿真实验,结果验证了方法的有效性和可行性.方法能够为空间机器人在轨操作提供理论依据.     

空间机器人捕获运动目标的协调规划与控制方法

针对目标以任意轨迹运动且其轨迹可能与``有保证工作空间'不相交的问题, 提出了空间机器人捕获运动目标的协调规划与控制方法. 首先, 根据手眼视觉测量数据, 预测目标的运动路径, 由此确定空间机器人对目标的最优交会姿态及最佳捕获臂型; 其次, 规划基座姿态及机械臂关节角的轨迹; 最后, 采用协调控制的方法, 实现空间机器人系统对运动目标的最优捕获(以最优交会姿态及最佳捕获臂型对目标进行捕获). 仿真结果表明了该方法的有效性.     

保持基座稳定的双臂空间机器人轨迹规划研究

针对双臂空间机器人在轨执行任务中需要利用平衡臂稳定基座的问题, 提出了两种典型应用需求——基座质心位置稳定、基座姿态和质心位置同时稳定的协调规划方法.首 先,提出了“系统质心等效机械臂”的概念并推导其运动学模型,基于此模型的位置级反解规 划平衡臂的运动轨迹,使基座质心位置稳定在期望位置;其次,根据角动量守恒定律确定反作用飞 轮的运动速度,将飞轮与平衡臂的运动相结合,同时稳定基座姿态和质心位置;最后,建立双臂空间机器人系统的多体动力学模型并开展仿真研究.所提出的方法克服了以往基于微分运动学所无法回避的奇异问题,且不对平衡臂的质量特性和安装位置作特殊规定,仿真结果证明了方法的有效性.     

自由飘浮空间机器人系统基座姿态调整

规划机械臂的运动以调整作为其基座的卫星的姿态，既节约姿控燃料，又可作为常规姿控系统的备份手段．首先，建立自由飘浮空间机器人系统的状态方程，其状态变量为关节角和卫星姿态角，输入变量为关节角速度．基于系统能控性理论，规划连接系统初始状态和期望状态的路径，实现了仅通过机械臂关节的运动同时控制基座姿态和机械臂关节角的目的．从理论上分析了机械臂的能量消耗，给出了使能量指标最小的近似最优算法．仿真结果表明了该方法的有效性．     

自由漂浮空间机器人的笛卡尔连续路径规划

对于自由漂浮空间机器人,位置级逆运动学方程不适合于笛卡尔连续路径的规划,而且机械臂的运动会对基座产生扰动.为此提出了基于速度级逆运动学方程的方法,可实现5个目标:1)惯性空间连续位姿跟踪;2)基座姿态无扰动的连续位置跟踪;3)基座姿态无扰动的连续姿态跟踪;4)基座姿态调整的连续位置跟踪;5)基座姿态调整的连续姿态跟踪.采用阻尼最小方差法回避动力学奇异,所规划的路径连续平滑.仿真结果表明了该方法的有效性.     

空间机械臂全局反作用优化及其地面试验研究

针对空间机械臂在运动过程中对其基座产生力／力矩反作用这一问题进行了分析,并提出一种关节轨迹参数化的全局反作用优化方法,用于减小机械臂的反作用力／力矩．基于气浮轴承方法,建立了3自由度空间机械臂反作用优化地面实验系统．最后,采用3自由度机械臂验证了该方法的有效性．     

自由漂浮空间机器人避奇异规划—跟踪算法

针对路径相关空间内自由漂浮空间机器人无法进行有效跟踪控制的问题,设计了一种避奇异轨迹规划—跟踪算法,用于完成路径相关空间机械臂末端轨迹跟踪控制的任务．首先,分析奇异条件并设定安全边界曲线,求解回避奇异的基座姿态角阈值,从而得到避奇异参考轨迹及初始状态值．接着,利用自由漂浮空间机器人非线性动力学模型具有状态依赖参数的类线性结构特点,基于状态依赖Riccati方程设计跟踪控制器对末端速度进行跟踪,保证闭环系统的局部渐近稳定性．所提方法克服了传统方法将工作空间约束在路径无关空间的缺点．仿真结果表明,该算法具有比比例微分（proportional derivative,PD）控制更高的跟踪精度．同时,在存在输入干扰的情况下仍然能够实现有效跟踪．     

基于自适应反作用零空间控制的大型非合作目标动力学参数实时辨识仿真

针对小型空间机器人抓捕大型空间非合作目标时被抓捕目标初始动量未知且不为0、实时辨识过程中基座姿态受扰动较大的问题,采用自适应反作用零空间控制方法保证在轨实时参数辨识阶段基座姿态受到的扰动最小,建立含有目标动力学参数的动量增量方程,根据在轨实时测量的基座线速度、角速度和机械臂关节角度、角速度求解目标的未知动力学参数.数值仿真结果表明,该方法在辨识过程中可实现空间机器人基座姿态较小的扰动,而且在初始动量未知且不为0的情况下能够实时高精度辨识出大型非合作目标的动力学参数.     

空间机械臂本体与末端抓手协调运动的自适应控制方法

讨论了载体位置不受控制的漂浮基空间机械臂本体与末端抓手协调运动的自适应控制问题. 对系统的运动学、动力学分析表明, 结合系统动量守恒关系得到的系统动力学方程及协调运动的增广广义Jacobi矩阵可以表示为适当选择的组合惯性参数的线性函数. 以此为基础, 对于系统存在未知参数的情况, 设计了本体姿态与机械臂末端抓手惯性空间轨迹协调运动的自适应控制方案. 上述控制方案的显著优点在于: 不需要测量、反馈飞行器本体的位置、移动速度及移动加速度. 仿真运算, 证实了上述控制方案的有效性.