空间机器人目标捕获的自适应规划

与地面固定基座机器人不同的是,空间机器人的运动学方程中含有动力学参数。在执行目标捕获任务时,目标动力学参数的不精确会给空间机器人的规划带来致命的影响。针对目标捕获后动力学参数不精确情况下的关节空间规划问题,在建立了自由飘浮空间机器人运动学模型的基础上,给出了雅可比矩阵及其动量守恒方程中的惯性参数以及惯性参数的组合参数线性化的具体形式,提出了一种关节空间的自适应规划方法。以平面二连杆空间机器人为研究对象进行仿真验证。结果表明,所提出的自适应规划方法可以有效降低惯性参数不精确给运动规划带来的影响,为空间机器人执行目标捕获等任务时提供了任务空间内精确轨迹跟踪的能力。     

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。     

空间机器人目标捕获过程中碰撞运动分析

针对空间机器人目标捕获过程中的碰撞问题,提出了一种碰撞运动分析算法．基于空间机器人运动学 和动力学模型,利用碰撞过程中产生冲量的原理建立了碰撞动力学模型．针对具体的碰撞模型,利用空间解析几何 的方法进行了空间机器人与目标物之间的碰撞检测,设计了碰撞发生后机器人的运动分析算法．最后,通过仿真实 验验证了该算法的正确性和适用性．     

空间机器人捕获动力学与控制

空间目标的在轨捕获是航天器在轨服务的重要内容,无论是太空碎片清理还是对航天器进行维修等,都首先需要解决捕获这个极具挑战性的问题.本文对空间机器人捕获空间目标的动力学与控制问题进行综述,首先介绍国内外主要的空间机器人计划,然后介绍捕获前、捕获中、捕获后三个阶段的动力学与控制问题,寄望于本文内容能够对从事空间机器人技术研究的学者有所裨益.     

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.     

空间机器人捕获非合作目标的测量与规划方法

提出了基于立体视觉的空间机器人捕获非合作目标的测量与规划方法,包括图像处理与特征提取、3D重构及位姿测量、自主规划与控制等．同时,还建立了一套仿真系统,可进行包括图像采集、位姿测量、追踪星GNC、空间机器人规划与控制、航天器动力学计算等在内的闭环仿真．仿真结果验证了算法的有效性．     

外部扰动下空间机器人基于扰动观测器的鲁棒控制

针对参数不确定及存在外部扰动的情况下,载体位置不控、姿态受控的漂浮基空间机器人末端抓手轨迹跟踪控制问题,提出了一种基于扰动观测器的鲁棒控制方法.结合动量守恒定律,采用拉格朗日第二类方程建立了系统动力学方程.假设外部扰动是随时间变化的未知量,设计了扰动观测器估计由外部干扰和参数不确定构成的总扰动,并基于估计的总扰动引入扰...     

空间绳系机器人在轨捕获视景仿真系统设计

针对空间绳系机器人在轨捕获可视化的问题,把绳系机器人的控制系统引入仿真环境,基于Vega平台开发了路径规划运动方式和实时接收数据运动方式相结合的空间绳系机器人在轨捕获仿真系统;利用Pro/Engineer和Creator建立了场景模型,实现了绳系在空间展开和视觉伺服效果的模拟,并对捕获过程进行了实时仿真;仿真结果表明,该系统能够直观显示控制系统的控制效果,能够成功演示空间绳系机器人对目标卫星的捕获,满足实时性要求。     

空间机器人目标捕获过程中的载体姿态扰动优化

针对自由飘浮空间机器人在捕获目标的过程中会对其载体姿态产生扰动的问题,提出了一种新的笛卡儿轨迹参数化方法.建立了反映载体姿态变化的日标函数,该函数既可以限制机器人关节角的运动范围,也可以避免动力学奇异的影响.利用遗传算法进行目标函数的优化,有效降低了空间机器人末端执行器在跟踪笛卡儿轨迹时对载体姿态的影响.仿真结果验证了...     

空间机器人最优能耗捕获目标的自适应跟踪控制

提出了一种能够引导末端执行器以期望速度跟踪目标的轨迹规划方法。该方法可以实现避障并满足关节限制要求。基于轨迹规划方法,设计了一种利用自由飘浮空间机器人跟踪与捕获章动自旋卫星的自适应控制策略。此外,该控制策略还考虑了最优能耗、测量误差和优化误差。首先,为了使执行器的跟踪误差和机械臂的能耗最小,将空间机器人的控制策略描述为一个关于关节速度、力矩和避障距离的不等式约束优化问题。然后,推导出一个系数为下三角矩阵的显式状态方程,并对目标函数进行解耦和线性化。设计了一种关节速度和力矩分段优化方法去代替传统的凸二次规划方法求解最优问题,这种方法具有较高的计算效率。最后,利用李雅普诺夫稳定性理论验证了所提控制方法的收敛性。     

空间网状捕获接口的等效抓捕控制

在空间大型机械臂在轨抓捕过程中,其关节柔性及长臀杆的变形会产生较大的末端跟踪及定位误差,因此很难实现成功抓捕.为此,本文研制了一种空间应用的网状捕获对接接口,提高了大臂末端执行器在大定位误差下的抓捕能力.同时,为了提高末端执行器与目标之间的非相对零速情况下的抓捕性能,利用等效抓捕的思想避开了抓捕过程中捕获接口对目标抓钩纠偏力建模复杂的问题,将问题简化为对目标抓钩端点在捕获面上投影的位置跟踪问题,实现了在末端执行器与目标具有一定的相对逃逸速度的情况下的成功抓捕.实验表明,利用本文提出的控制策略增大了网状捕获接口的抓捕容差范围,从而验证了本文提出的控制策略的何效性.     

空间充气展开绳网系统捕获目标自抗扰控制研究

空间充气展开绳网系统是依靠充气梁展开绳网进行目标捕获的航天器系统,具有更好的稳定性和可操控性.然而由于充气梁和绳网的大柔性变形以及捕获失稳自旋目标后的未知碰撞,使得捕获后的航天器姿态稳定控制困难.本文主要基于自抗扰控制解决了空间充气展开绳网系统捕获目标后的姿态稳定和消旋难题.首先,基于理想薄膜充压失效理论和绝对节点坐标方法建立充气展开绳网系统动力学模型,而后设计了航天器姿态稳定自抗扰控制器,用于实时估计并补偿系统捕获过程中未知惯量目标与捕获机构的碰撞干扰.仿真结果表明,动力学模型能够模拟捕获过程中充气梁的屈曲失效及碰撞特性,自抗扰控制器能够有效抑制碰撞带来的干扰,实现空间充气展开绳网系统捕获后的高精度姿态稳定控制,同时能够在有限时间内对自旋目标实现消旋.     

Modular Reconfigurable Robots in Space Applications

Robots used for tasks in space have strict requirements. Modular reconfigurable robots have a variety of attributes that are well suited to these conditions, including: serving as many different tools at once (saving weight), packing into compressed forms (saving space) and having high levels of redundancy (increasing robustness). In addition, self-reconfigurable systems can self-repair and adapt to changing or unanticipated conditions. This paper will describe such a self-reconfigurable modular robot: PolyBot. PolyBot has significant potential in the space manipulation and surface mobility class of applications for space.     

Vision Based Target Tracking and Collision Avoidance for Mobile Robots

A real-time object tracking and collision avoidance method is presented for mobile robot navigation in indoors environments using stereo vision and a laser sensor. Stereo vision is used to identify the target and to calculate its relative distance from the mobile robot while laser based range measurements are utilized to avoid collision with surrounding objects. The target is tracked by its predetermined or dynamically defined color. The mobile robot’s velocity is dynamically adjusted according to its distance from the target. Experimental results in indoor environments demonstrate the effectiveness of the method.     

A Ground Experiment System of Free-floating Robot For Capturing Space Target

Technology for the capturing of space target is very important for on-orbit servicing. In order to assure the task is accomplished successfully, ground experimentations are required for the verification of the planning and control algorithms of space robotic system before it is launched. In this paper, an experiment concept is used, which is a hybrid approach, i.e. it combines the mathematical model with the physical model. The key issues of the concept are dynamic emulation and kinematic equivalence, in which the behaviors of the space robotic system are calculated by its dynamic equations. The motion of its end-effector and the space target is realized by two industrial robots. According to different observation spots, two modes of capturing process are emulated: one is observed from the inertial frame, the other is from the space base. Based on the concept proposed above, a ground experiment system is set up, which is composed of two industrial robots, a set of global visual system and five industrial computers. Using the system, algorithms of space robot of any geometry and mass properties can be tested. As an example, the autonomous trajectory planning algorithm is verified by the experiment of capturing a moving target. Moreover, a real-time 3D simulation system is developed to emulate the capturing process in 3D space. Numeric simulation and experiment results show that the ground system is effective in evaluating the planning and control algorithms of space robot.     

一种稳健的足球机器人目标识别算法

视觉系统是类人足球机器人获取环境信息的主要途径。在比赛中,受场地光照等比赛环境的影响,用传统的分割识别算法难以达到满意的效果。文中提出一种结合目标颜色和形状信息的识别算法。该算法在HSI空间执行基于颜色信息的快速阀值分割,获取目标像素,并且加入了自适应阀值更新,然后利用目标像素和目标形状信息执行优化边缘检测识别目标,最终获得目标在图像中准确的位置信息。实验证明：该算法能长时间在不同光照条件下稳定获取对象在图像中的位置信息,满足实时性的要求。     

空间绳系机器人目标抓捕鲁棒自适应控制器设计

针对空间绳系机器人（Tethered space robot,TSR）目标抓捕过程中的稳定控制问题,建立空间绳系机器人系统模型,根据阻抗控制原理,设计基于位置的阻抗控制方法;针对空间绳系机器人系统的模型不确定性问题,利用神经网络对不确定性进行估计补偿,设计鲁棒项对空间系绳干扰和神经网络估计误差的影响进行抑制,在此基础上设计空间绳系机器人目标抓捕鲁棒自适应稳定控制器,并进行稳定性证明.最后对设计的控制器进行仿真验证.作为对比,对无鲁棒项自适应的稳定控制器进行仿真.仿真结果表明,设计的基于阻抗控制的鲁棒自适应控制可以实现对空间绳系机器人目标抓捕过程中的稳定控制,与无鲁棒项自适应的稳定控制器仿真结果相比,本文采用的鲁棒自适应控制方法可以有效地对不确定性进行补偿,控制过程中超调量更小,收敛时间更短,并且控制精度更高.