自由漂浮空间机器人轨迹跟踪的模型预测控制

针对传统控制方法难以解决自由漂浮空间机器人(free-floating space robot, FFSR)轨迹跟踪过程中的各类约束的问题,采用模型预测控制对自由漂浮空间机器人的轨迹跟踪问题进行了研究.在自由漂浮空间机器人拉格朗日动力学模型的基础上,建立了系统伪线性化的扩展状态空间模型;在给定系统的性能指标和各类约束的情况下,基于拉盖尔模型设计相应的离散模型预测控制器,并证明控制器的稳定性,控制器中引入任务空间滑模变量实现了对末端期望位置和期望速度的同时跟踪;以平面二杆自由漂浮空间机器人为例,对无约束末端轨迹跟踪和有约束末端轨迹跟踪两种情况进行对比仿真验证.仿真结果表明,该模型预测控制器不仅可以实现对末端期望轨迹的有效跟踪,还能满足各类约束.     

自由漂浮空间机器人末端轨迹优化自适应控制

惯性参数不确定情况下的自由漂浮空间机器人(FFSR)轨迹跟踪控制是当前FFSR自主控制研究的重点与难点之一.针对该问题,提出一种FFSR末端轨迹优化自适应跟踪控制方法.该方法首先基于离散状态依赖黎卡提方程(DSDRE),设计两级DSDRE优化跟踪控制器,然后在控制器输出基础上,通过求解有约束条件下的非线性优化问题实现FFSR惯性参数的辨识,进而根据辨识结果调整控制器相关参数,实现FFSR末端轨迹的优化自适应跟踪控制.最后,采用平面两连杆FFSR模型进行仿真,验证了所提出方法的有效性.     

柔性臂漂浮基空间机器人建模与轨迹跟踪控制

利用拉格朗日法和假设模态方法建立了末端柔性的两臂漂浮基空间机器人的非线性动力学方程．通过坐标变换,推导出一种新的以可测关节角为变量的全局动态模型,并在此基础上运用基于模型的非线性解耦反馈控制方法得到关节相对转角与柔性臂的弹性变形部分解耦形式控制方程．最后,讨论了柔性臂漂浮基空间机器人的轨迹跟踪问题,并通过仿真实例计算,表明该模型转换及控制方法对于柔性臂漂浮基空间机器人末端轨迹跟踪控制的有效性．     

一种笛卡儿空间的自由漂浮空间机器人路径规划方法

针对自由漂浮空间机器人工作时需保证载体姿态稳定的问题,提出了一种笛卡儿空间内载体姿态无扰的自由漂浮空间机器人非完整路径规划方法．首先,基于自由漂浮空间机器人特征方程和角动量守恒方程得到广义雅可比矩阵;其次,出于路径规划的需要,分析了载体姿态无扰的自由漂浮空间机器人可达工作空间;最后,引入相关系数,设计了笛卡儿空间内的无扰向量合成算法．仿真得到的路径规划结果表明机械臂末端达到目标点的同时确保了载体姿态无扰动,从而验证了所提方法的可行性和有效性．     

基于样条函数的机器人轨迹规划方法

在机器人控制中,常常需要控制机器人末端准确地从空间一点移动到另外一点,而机器人轨迹规划算法在很大程度上影响了控制的稳定性和鲁棒性.对没有特殊中间路径要求的机器人控制而言,在关节坐标空间进行轨迹规划不但计算量小,而且可以避免由于雅可比矩阵奇异引起的速度失控.本文采用样条函数规划算法设计了机器人关节坐标空间的轨迹函数,通过对两种算法的比较证明,样条函数能更好地生成具有稳定性和鲁棒性的空间轨迹,这个空间轨迹不但可以避免机器人在起动和停止时由于速度、加速度引起的抖动,而且可以满足机器人快速运动的需要.最后,本文基于HIT-1手单手指模型建立了PID控制模型,并利用Simulink工具仿真对两种轨迹规划算法进行了比较.     

应用于力矩受限自由漂浮空间机器人的神经网络自适应控制

在控制力矩受限情况下,为实现具有模型不确定性自由漂浮空间机器人的轨迹跟踪控制,文章设计了一种新的神经网络自适应控制策略;首先,用双曲函数对控制力矩输入进行限制;其次,设计一种神经网络自适应控制律,对输入力矩受限条件下的非线性系统模型进行在线逼近,同时,利用鲁棒项对神经网络逼近误差和外界干扰进行消除;最后,根据李雅普诺夫理论,证明了所设计控制策略能够使自由漂浮空间机器人系统渐进稳定;仿真实验表明,该控制策略在无需建立复杂系统模型的情况下,便能够对控制力矩进行有效限制,从而使自由漂浮空间机器人在控制力矩受限情况下得到较好的控制.     

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...     

加速度约束条件下的非完整移动机器人运动控制

将移动机器人的运动规划与跟踪控制问题合并在一起,对加速度约束条件下的非完整移动机器人运动控制问题进行研究,提出基于贝塞尔曲线的路径规划方法,以满足机器人的非完整约束．在考虑所受加速度约束的条件下,通过规划机器人状态时问轨线的方法实现了时间最优的轨迹规划．基于控制李亚普诺夫函数推导出了轨迹跟踪的控制律．仿真实验结果表明所提出的算法是有效的．     

漂浮基空间机器人自适应RBF 网络终端滑模控制

主要研究漂浮基空间机器人对工作空间连续轨迹跟踪控制问题．针对系统动力学模型中非线性项未知，以及参数不确定性和外界扰动无法估计的情况，提出了基于自适应RBF网络终端滑模控制方法．该方法结合了非线性滑动流形与径向基函数特性，利用自适应RBF网络在线学习系统中的不确定性，使得无需精确的动力学模型亦能保证系统在有限时间内快速稳定．根据Lyapunov方法设计的自适应增益保证闭环控制系统具有全局稳定性，并且有效抑制抖振现象．针对6关节空间机器人的轨迹跟踪控制仿真表明，提出的自适应RBF网络终端滑模控制方法能够基于不完整动力学模型实现高精度轨迹跟踪，且误差在有限时间内快速收敛，系统抖振也得到了有效抑制．     

自由漂浮空间机器人回避动力学奇异的轨迹规划

针对非完整约束导致的自由漂浮空间机器人广义雅可比矩阵动力学奇异性问题,提出一种间接求解机器人逆运动学的方案.该方案通过运动方程分解并构造迭代函数,将动力学奇异转换为运动学奇异问题,避免直接求解逆广义雅可比矩阵,解决广义雅可比矩阵动力学参数相关特性问题,仿真结果表明该方法能够有效地实现自由漂浮空间机器人回避动力学奇异的非完整轨迹规划.     

自由浮动空间冗余度机械臂避奇异规化的混沌运动抑制控制

推导出自由浮动空间冗余度机械臂的广义雅可比矩阵,讨论空间机械臂避奇异问题,基于梯度投影法选取空间机械臂的运动学可操作度作为避奇异优化目标函数,利用关节空间的自运动,实现自由浮动冗余度空间机械臂的避奇异运动规划,混沌数值计算表明,空间冗余度机械臂避奇异运动时,其关节零空间的自运动处于混沌状态,利用状态延迟反馈控制来实现空间冗余度机械臂避奇异时的混沌抑制,将关节运动镇定到稳定的周期轨道。     

Adaptive control of free-floating space robots in Cartesian coordinates

An adaptive control scheme is proposed for the end-effector trajectory tracking control of free-floating space robots. In order to cope with the nonlinear parameterization problem of the dynamic model of the free-floating space robot system, the system is modeled as an extended robot which is composed of a pseudo-arm representing the base motions and a real robot arm. An on-line estimation of the unknown parameters along with a computed-torque controller is used to track the desired trajectory. The proposed control scheme does not require measurement of the accelerations of the base and the real robot arm. A two-link planar space robot system is simulated to illustrate the validity and effectiveness of the proposed control scheme.     

Passivity based adaptive Jacobian tracking for free-floating space manipulators without using spacecraft acceleration

Most research so far on trajectory tracking of free-floating space manipulators has assumed that the kinematics of the space manipulator is exactly known. However, when a space manipulator picks up different tools of unknown lengths or unknown gripping points, its kinematics and dynamics change and are difficult to derive exactly. Thus, in this paper, we have proposed a passivity based adaptive Jacobian controller for free-floating space manipulators. The proposed controller consists of a transposed Jacobian feedback and a dynamic compensation term, and the parameter adaptation laws are derived by Lyapunov-like stability analysis tools. It is shown that the end-effector motion tracking errors converge asymptotically. To avoid using spacecraft acceleration, we define a new reference velocity, which is called spacecraft reference velocity. In addition, we have also conducted passivity interpretation of the proposed controller to obtain some physical insight into its properties. Simulation results are presented to show the performance of the proposed controller.     

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。     

On the dynamics and control of flexible joint space manipulators

Space manipulator systems are designed to have lightweight structure and long arms in order to achieve reduction of fuel consumption and large reachable workspaces, respectively. Such systems are subject to link flexibilities. Moreover, space manipulator actuators are usually driven by harmonic gear mechanisms which lead to joint flexibility. These types of flexibility may cause vibrations both in the manipulator and the spacecraft making the positioning of the end-effector very difficult. Here, both types of flexibilities are lumped at the joints and the dynamic equations of a general flexible joint space manipulator are derived. Their internal structure is highlighted and similarities and differences with fixed-base robots are discussed. It is shown that one can exploit the derived dynamic structure in order to design a static feedback linearization control law and obtain an exact linearization and decoupling result. The application of such controllers is desired in space applications due to their small computational effort. In case of fixed-base manipulators, the effective use of a static feedback controller is feasible only if a simplified model is considered. Then, the proposed static feedback linearization control law is applied to achieve end-effector precise trajectory tracking in Cartesian space maintaining a desirable non-oscillatory motion of the spacecraft. The application of the proposed controller is illustrated by a planar seven degrees of freedom (dof) system.     

一种新的PUMA类型机器人奇异回避算法

传统的奇异回避方法运算量大, 本文提出了一种新的 PUMA 类型机器人奇异回避方法—奇异分离加阻尼倒数法. 首先, 分析产生奇异的条件, 将导致 Jacobian 奇异的参数分离出来, 然后用阻尼倒数代替其普通倒数, 以回避运动学奇异的影响. 该方法无需对 Jacobian 进行 SVD 分解, 也无需估计其最小奇异值, 因而运算量小, 实时性好, 仅牺牲末端部分方向的精度, 适合于预定轨迹和实时轨迹的跟踪. 仿真和实验结果证明了算法的有效性.     

漂浮基空间机器人的径向基神经网络鲁棒自适应控制

针对一类同时具有参数及非参数不确定性的自由漂浮空间机器人系统的轨迹跟踪问题,采用了一种RBF神经网络的自适应鲁棒补偿控制策略.对于系统的参数不确定性,通过对径向基神经网络来自适应学习并补偿,逼近误差通过滑模控制器消除,神经网络权重的自适应修正规则基于Lyapunov函数方法得到;而非参数不确定通过鲁棒控制器来实时自适应...     

Control System for Free-Floating Space Manipulator Based on Nonlinear Model Predictive Control (NMPC)

Manipulator mounted on an unmanned satellite could be used for performing orbital capture maneuver in order to repair satellites or remove space debris from orbit. Use of manipulators for such purposes presents unique challenges, as high level of autonomy is required and the motion of the manipulator influences the position and orientation of the manipulator-equipped satellite. This paper presents a new control system that consists of two modules: trajectory planning module (based on trajectory optimization algorithm) and Model Predictive Controller. Both modules take into account the free-floating nature of the satellite-manipulator system. Proposed control system was tested in numerical simulations performed for a simplified planar case. In the first set of simulations Nonlinear Model Predictive Control (NMPC) was used to ensure realization of a square reference end-effector trajectory, while in the second set control system was used for optimizing and then ensuring realization of the trajectory that leads to grasping of the rotating target satellite. Simulations were performed with disturbances and with the assumed non-perfect knowledge of parameters of the satellite-manipulator system. Results obtained with NMPC are better than results obtained with the controller based on the Dynamic Jacobian inverse and with the Modified Simple Adaptive Control (MSAC).