空间机械臂抓取目标的碰撞前构型规划与控制问题研究

论文摘要

空间机械臂系统已经成为航天飞机、空间站以及其它空间作业航天器的重要组成部分。目标抓取是空间机械臂完成空间任务的关键环节,本文以此为主要研究内容,对空间机械臂抓取目标的碰撞前构型规划、碰撞以及控制问题进行了深入的研究。具体研究工作如下:以空间机械臂系统的动量守恒关系式为基础,分析了空间机械臂抓取目标的碰撞作用对于系统角动量的影响,针对单臂式系统抓取目标的碰撞前构型规划问题,提出了“直臂抓取”与“广义直臂抓取”两种特殊的碰撞前构型。研究了双臂及多臂式空间机械臂系统抓取目标的碰撞前构型规划问题,将“广义直臂抓取”构型推广到双臂式系统。最后通过数值仿真证明了空间机械臂抓取目标时,采用“广义直臂抓取”构型可有效地减小抓取过程中碰撞作用对于系统角动量的影响,保证了基座姿态的稳定,将机械臂关节角速度控制在微小值范围之内,避免了控制算法中存在的关节限制与力矩限制问题,减轻了抓取完成后实施混合体控制的负担。“直臂抓取”与“广义直臂抓取”两种构型是在碰撞力产生之前,找到恰当的机械臂构型以减少碰撞力对于系统的影响,而不是在碰撞力产生之后再去消除它的作用。这种规划机械臂碰撞前构型的方法同样适用于空间交会对接问题以及其他空间碰撞问题。提出了一种特殊的双臂式空间机械臂抓取目标策略,该策略在实现抓取目的的同时,可有效地控制基座的姿态。研究了空间机械臂抓取目标的碰撞后混合体控制问题。空间机械臂抓取目标时系统通常存在模型误差与外界扰动等影响因素,将严重的影响控制算法的控制特性,自适应控制与鲁棒控制作为两种具有适应参数变化能力的控制算法可有效地解决这一问题。利用反作用零空间控制中的反作用零空间项实现了对于空间机械臂工作端轨迹的渐近跟踪。在空间机械臂系统参数存在误差时,借助参数在线修正方法将自适应控制原理与反作用零空间控制相结合,提出了自适应—反作用零空间控制算法;其次利用反作用零空间概念将分布式动量控制算法进行了改进,得到了其改进形式,改进后的算法在保持了原有控制特性的基础上,实现了对于空间机械臂工作端期望轨迹的渐近跟踪,同样利用参数在线修正理论,提出了自适应—改进分布式动量控制方法,分别将这两种自适应控制算法应用到单臂式与双臂式空间机械臂系统。仿真结果表明两种方法均有效地克服了参数误差对于系统控制造成的影响,保证了系统的稳定性与机械臂工作端轨迹跟踪的实现。同时,通过仿真证明了“广义直臂抓取构型”对系统参数的不确定性影响具有一定的抑制作用。自适应控制算法可有效地克服常值或慢变不确定参数对系统控制的影响。当空间机械臂系统受到外部扰动、快变参数以及未建模参数的影响时,其控制效果并不理想,此时鲁棒控制具有明显的优越性。将鲁棒控制原理与反作用零空间控制、改进的分布式动量控制相结合,提出了两种鲁棒控制算法,并将其分别应用到单臂式与双臂式系统。仿真结果表明本文提出的鲁棒控制方法可以有效地抑制外部扰动、快变参数以及未建模参数的影响,保持了原有控制方法的特性,维持了系统的稳定。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的来源、目的和意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 目的和意义
• 1.2 国内外研究现状及分析
• 1.2.1 空间机械臂的运动学与动力学建模问题
• 1.2.2 空间机械臂的目标捕捉操作
• 1.2.3 空间机械臂抓取目标的轨迹与碰撞前构型规划
• 1.2.4 空间机械臂捕捉目标的碰撞问题
• 1.2.5 空间机械臂抓取目标的控制问题
• 1.3 本文的主要工作
• 第2章 空间机械臂的运动学与动力学建模
• 2.1 引言
• 2.2 坐标定义
• 2.2.1 相对坐标
• 2.2.2 参考点坐标（笛卡尔坐标）
• 2.2.3 自然坐标（完全笛卡尔坐标）
• 2.3 空间机械臂的运动学方程
• 2.4 空间机械臂系统的动力学方程
• 2.4.1 允许运动空间
• 2.4.2 相关坐标表示的动力学方程
• 2.4.3 广义坐标表示的动力学方程
• 2.5 空间机械臂的动力学仿真过程
• 2.6 本章小结
• 第3章 空间机械臂抓取目标的碰撞前构型规划
• 3.1 引言
• 3.2 空间机械臂系统的动量守恒关系
• 3.3 空间机械臂抓取目标过程中的碰撞问题分析
• 3.4 单臂式空间机械臂抓取目标的碰撞前构型规划
• 3.4.1 直臂抓取构型
• 3.4.2 广义直臂抓取构型
• 3.4.3 单臂式系统仿真算例
• 3.5 双臂及多臂式空间机械臂抓取目标的碰撞前构型规划
• 3.5.1 双臂及多臂式系统的广义直臂抓取构型
• 3.5.2 双臂式系统仿真算例
• 3.6 本章小结
• 第4章 空间机械臂抓取目标的自适应控制
• 4.1 引言
• 4.2 基于反作用零空间概念的自适应控制设计
• 4.2.1 反作用零空间概念及其控制算法
• 4.2.2 自适应反作用零空间控制
• 4.2.3 控制算法的稳定性分析
• 4.2.4 仿真算例
• 4.3 基于分布式动量原理的自适应控制设计
• 4.3.1 分布式动量控制及其改进型式
• 4.3.2 自适应控制设计
• 4.3.3 仿真算例
• 4.4 本章小结
• 第5章 空间机械臂抓取目标的鲁棒控制
• 5.1 引言
• 5.2 基于反作用零空间概念的鲁棒控制设计
• 5.2.1 鲁棒控制器的设计
• 5.2.2 仿真算例
• 5.3 基于改进分布式动量原理的鲁棒控制设计
• 5.3.1 鲁棒控制器的设计
• 5.3.2 仿真算例
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历