收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

空间机器人自主捕获目标的轨迹规划与控制研究

史也  
【摘要】:随着空间技术的发展以及空间开发与应用能力的不断提高,通过空间机器人进行自主在轨服务的意义和作用日益凸显,而空间机器人自主捕获目标的轨迹规划与控制是实现在轨服务的关键技术之一。本文结合国家863计划航天领域某项目,以对目标航天器自主捕获及捕获后目标停靠等在轨服务操作为应用背景,开展了空间机器人动力学建模仿真、目标航天器自主捕获、目标抓捕后复合体姿态调整和目标转移路径规划、目标捕获后轨迹跟踪控制、半物理仿真试验系统等方面的研究,以期推动我国空间机器人在轨服务技术的发展。 针对空间机器人动力学建模进行研究,基于拉格朗日法推导空间机器人系统运动学和动力学方程,并对其非完整约束特性进行分析,以此作为研究非完整路径规划和轨迹跟踪控制的基础。此外,为满足空间机器人地面半物理仿真试验系统对实时性、计算精度以及稳定性的要求,引入R-W方法,从计算多体动力学的角度建立空间机器人动力学模型,并在此基础上实现了动力学计算软件,通过仿真验证了动力学模型的有效性。 空间机器人自主捕获目标是在轨服务任务得以实施的前提和先决条件。本文研究了空间机器人自主目标捕获的视觉伺服轨迹规划方法,建立虚拟机械臂模型,并在此基础上采用蒙特卡罗法对空间机器人工作空间进行分析与仿真。为避免视觉伺服捕获过程中目标偏离相机视场、规划的关节角、角速度超出限位问题,提出了一种多约束条件下目标捕获的视觉伺服协调控制方法,包括相机视场约束和关节极限约束排斥力函数的建立,基于人工势能场法在图像空间生成规划轨迹,并通过图像雅克比矩阵将其映射为机械臂末端运动,同时引入协调控制方法减少机械臂运动所引起的基座姿态偏差;仿真结果表明该方法可实现在基座姿态、相机视场及关节运动范围受限条件下的目标捕获。 针对空间机器人目标捕获后复合体姿态调整和目标转移路径规划问题,通过正弦多项式函数对机械臂关节角轨迹参数化,根据基座姿态和机械臂末端位姿控制精度指标设计目标函数,由此将自由漂浮空间机器人的非完整笛卡尔路径规划问题转换为非线性系统的优化问题;进而采用量子粒子群优化算法对该非线性优化问题进行求解,实现了非完整路径规划的目标,并通过仿真验证了该方法的有效性。 针对空间机器人捕获目标后系统参数不确定情况下的轨迹跟踪控制问题进行了研究,推导了自由飞行空间机器人参数线性化形式的动力学模型,设计了反步自适应控制律,并给出了控制器参数与系统暂态性能之间的关系。针对自由漂浮空间机器人系统,设计了一种将约束输出转化为无约束控制变量的变换,然后针对此无约束控制变量设计了神经网络反步自适应控制律,仿真结果表明该方法可实现轨迹跟踪的稳定控制并满足一定的时域性能要求。 为了降低技术研究与开发的风险和成本,确保在轨任务的成功,结合目前我国空间机器人系统研制任务对地面仿真试验的需求,设计并实现了一套与实际系统电气接口完全一致的空间机器人半物理仿真试验系统,并对本文所提出的方法进行了验证。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 张青斌,唐乾刚,孙世贤;飘浮式空间机器人路径规划的全局最优解析解[J];国防科技大学学报;1999年03期
2 何光彩,洪炳镕,郭恒业;基于参数辨识的冗余自由飞行空间机器人多臂协调运动规划[J];宇航学报;2000年01期
3 李庚田,李智斌,吕应祥;从空间机器人的研究和应用谈谈工程系统工程[J];系统工程与电子技术;1990年12期
4 杨维垣;;日本空间机器人研究概况[J];航天器工程;1994年04期
5 刘新建,张彭,唐乾刚;自由飘浮空间机器人准刚性分解运动轨迹控制与仿真[J];国防科技大学学报;1996年03期
6 王景,刘良栋;任务空间内空间机器人的复合自适应控制[J];航天控制;2001年01期
7 李成,梁斌;空间机器人的遥操作[J];宇航学报;2001年01期
8 田小峰,宋爱国,黄惟一;空间机器人自适应无源控制技术研究[J];东南大学学报(自然科学版);2000年05期
9 赵晓东,王树国,严艳军,蔡鹤皋;基于载体姿态调整的自由漂浮空间机器人路径规划方法的研究[J];高技术通讯;2003年03期
10 王鸿鹏,洪炳熔,李华忠;空间机器人的虚拟环境建模及其仿真[J];计算机应用研究;2000年04期
11 任敬轶,孙汉旭;一种三分支空间机器人的位姿反解[J];机械工程学报;2001年10期
12 赵晓东,王树国,严艳军,蔡鹤皋;障碍环境下空间机器人路径规划算法及仿真[J];高技术通讯;2003年06期
13 郑洁,张卫民,吴昊;空间机器人的三维动画仿真[J];机电一体化;2004年03期
14 郭琦,洪炳熔;双臂空间机器人姿态控制的再生核解法[J];计算机学报;2005年02期
15 麻亮,纪军宏,强文义,付佩琛;载体不加位置控制的空间机器人系统的运动学建模[J];哈尔滨工业大学学报;1997年03期
16 何广平,王凤翔,陆震;“被动冗余度”空间机器人运动学特性分析[J];机械工程学报;2000年08期
17 郑洁,张卫民,吴昊,孙富春;基于Vega的柔性双臂空间机器人的三维动画仿真[J];计算机工程与科学;2004年10期
18 郭琦,洪炳镕,吴葳;双臂六自由度空间机器人广义雅可比矩阵的推导[J];电子学报;2005年02期
19 郭吉丰;空间柔性机器人的正逆动力学模型[J];机械工程学报;1996年04期
20 吴葳,洪炳熔;空间机器人的建模及仿真[J];计算机工程与设计;1998年06期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 贾东永;侯向阳;黄强;;空间机器人结构轻量化设计[A];北京力学会第17届学术年会论文集[C];2011年
2 余志鸿;仇越;李成;;空间机器人一体化关节模块的研制及其在空间探测领域的应用[A];中国空间科学学会空间探测专业委员会第十六次学术会议论文集(下)[C];2003年
3 吴立成;孙富春;孙增圻;;空间机器人建模、规划与控制研究现状分析[A];2005年中国智能自动化会议论文集[C];2005年
4 梁捷;陈力;;空间机器人时延下关节空间轨迹跟踪的改进控制算法设计、仿真[A];第七届全国多体系统动力学暨第二届全国航天动力学与控制学术会议会议论文集[C];2011年
5 徐梁;胡庆雷;程怡明;;基于无源性自由漂浮空间机器人镇定控制[A];中国自动化学会控制理论专业委员会A卷[C];2011年
6 陈力;唐晓腾;;双臂自由漂浮空间机器人关节空间的增广变结构鲁棒控制[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
7 贾英宏;;多臂空间机器人的动力学与控制问题研究[A];第三届全国动力学与控制青年学者研讨会论文摘要集[C];2009年
8 王家顺;邹红霞;高永明;;基于LabVIEW的空间机器人地面控制台研究[A];2011年通信与信息技术新进展——第八届中国通信学会学术年会论文集[C];2011年
9 金宗耀;;冗余度空间机器人力矩与避奇异综合优化[A];中国宇航学会深空探测技术专业委员会第八届学术年会论文集(下篇)[C];2011年
10 薛力军;胡松华;强文义;;基于混合插值的空间机器人轨迹规划与控制仿真[A];2005中国控制与决策学术年会论文集(下)[C];2005年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 史也;空间机器人自主捕获目标的轨迹规划与控制研究[D];哈尔滨工业大学;2013年
2 田富洋;在轨服务空间机器人机械多体系统动力学高效率建模研究[D];南京航空航天大学;2009年
3 税海涛;空间机器人目标捕获的运动规划研究[D];国防科学技术大学;2010年
4 张文辉;空间机器人神经网络轨迹跟踪控制及微重力模拟方法研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
5 田志祥;自由漂浮空间机器人多体动力学及目标捕获研究[D];南京航空航天大学;2012年
6 谢箭;不确定性空间机器人轨迹规划及智能控制方法研究[D];哈尔滨工业大学;2009年
7 焦建民;空间机器人故障检测、诊断与系统重构[D];西北工业大学;2004年
8 查世红;空间机器人六自由度浮游目标捕获功能地面验证系统研究[D];中国科学技术大学;2008年
9 陈三风;三维气动式微重力环境模拟平台的智能控制系统研究[D];中国科学技术大学;2008年
10 张国亮;空间机器人遥操作中基于视觉的局部自主控制研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 朱奎;空间机器人目标捕获的轨迹优化及实验研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
2 李永明;面向目标获取的空间机器人模糊控制的研究及实现[D];太原理工大学;2011年
3 李大明;空间机器人在轨自主装配动力学与控制[D];哈尔滨工业大学;2012年
4 张猛;空间机器人动力学建模与鲁棒控制[D];沈阳航空航天大学;2012年
5 艾晨光;空间机器人目标捕获协调控制与实验研究[D];北京邮电大学;2013年
6 李保丰;六自由度空间机器人的工作空间分析与参数辨识[D];北京邮电大学;2011年
7 李晓茹;空间机器人单关节余度控制器设计[D];河南工业大学;2010年
8 杨明远;自由漂浮空间机器人目标捕获的路径规划研究[D];北京邮电大学;2011年
9 刘奇坤;空间机器人末端工具更换装置的研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
10 李斌;自由漂浮空间机器人的位形控制[D];哈尔滨工业大学;2011年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 苏雷记者 郑野军;513所参与空间机器人研制[N];烟台日报;2008年
2 实习生 饶超张雅佼 本报记者 蒋秀娟;机器人能“与人共舞”吗?(一)[N];科技日报;2007年
3 邵肖梅;“新科院士”徐扬生[N];绍兴日报;2008年
4 本报记者 刘思燕;中国空间机器人梦在天上[N];中国航天报;2002年
5 本报记者 高博;丁希仑:快乐“机器人”[N];科技日报;2007年
6 本报记者 马波;“云南科学大讲坛”场面火爆一票难求[N];科技日报;2009年
7 王广飞吉星 记者 初霞;中德空间机器人实验室落户哈工大[N];哈尔滨日报;2008年
8 华望;中国加紧研制太空机器人[N];大众科技报;2000年
9 善灵;清华一项目获教育部留学回国人员科研启动基金资助[N];科技日报;2007年
10 鲁光;明天到月球开房间[N];大众科技报;2002年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978