發(fā)布時間：2020-04-17 23:19

【摘要】：隨著空間科學(xué)及機器人技術(shù)的發(fā)展,自由漂浮空間機器人對空間在軌服務(wù)領(lǐng)域的重要性也不斷增加,并逐漸替代航天員執(zhí)行危險的艙外任務(wù),同時也擴大了任務(wù)的可達工作空間,從而達到了提高執(zhí)行任務(wù)效率和減少空間經(jīng)費的目的。而對于自由漂浮空間機器人來說,任務(wù)過程中的路徑規(guī)劃與控制方法是能否順利完成在軌服務(wù)的基礎(chǔ),也是需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。本文以自由漂浮空間機器人為研究背景,對路徑規(guī)劃、路徑跟蹤控制及空間機器人系統(tǒng)姿態(tài)控制問題展開了深入的研究。主要研究內(nèi)容包括:考慮到傳統(tǒng)路徑規(guī)劃方法對基座衛(wèi)星擾動較大問題,提出了一種基于控制變量參數(shù)化的自由漂浮空間機器人路徑規(guī)劃方法,給出了完整的理論收斂性證明,解決了目前控制變量參數(shù)化方法缺少理論收斂性證明的問題。首先,將任務(wù)空間內(nèi)點對點路徑規(guī)劃問題描述為以基座衛(wèi)星擾動最小為目標函數(shù),同時滿足初始時刻和末端時刻的邊界約束條件,以及運動過程中的路徑約束條件的最優(yōu)控制問題。然后,利用控制變量參數(shù)化方法將最優(yōu)控制問題進行離散化處理,進而轉(zhuǎn)化為非線性規(guī)劃問題并求解,最終得到自由漂浮空間機器人末端執(zhí)行器的最優(yōu)路徑。仿真結(jié)果表明,所提方法有效減小了基座衛(wèi)星姿態(tài)的擾動,并具有較高的求解精度。為了提高自由漂浮空間機器人路徑規(guī)劃的計算效率,滿足實時性要求,提出了基于多段Gauss偽譜法和hp-自適應(yīng)Gauss偽譜法的自由漂浮空間機器人路徑規(guī)劃方法。利用多段Gauss偽譜法將規(guī)劃時間進行分段,使Jacobian矩陣變?yōu)橄∈桕?從而提高了求解效率,但仍無法滿足實時性要求。為此,進一步提出了基于hp-自適應(yīng)Gauss偽譜法的空間機器人路徑規(guī)劃方法,設(shè)計了hp-自適應(yīng)決策變量,能夠在不滿足精度要求的時間單元上,自適應(yīng)地選擇將時間單元細分或者增加時間單元上的配點數(shù)量,解決了其他路徑規(guī)劃方法無法實現(xiàn)實時性的問題。同時,給出了hp-自適應(yīng)Gauss偽譜法收斂性的理論證明,解決了hp-自適應(yīng)Gauss偽譜法缺少相關(guān)理論收斂性證明的問題。仿真結(jié)果表明,該算法能夠滿足實時性要求。針對運動空間存在障礙物的自由漂浮空間機器人系統(tǒng),提出了基于非線性模型預(yù)測控制的軌跡跟蹤控制方法,解決了自由漂浮空間機器人軌跡跟蹤過程中對實時障礙物的規(guī)避問題。該方法在每個時刻以跟蹤誤差最小為性能指標,同時滿足路徑約束及障礙物約束等約束條件,優(yōu)化得到一組有限時域最優(yōu)控制序列,并將控制序列第一個控制量作為該時刻實際控制量作用于系統(tǒng),在下一時刻重復(fù)進行優(yōu)化。同時,提出了一種任務(wù)空間中用來描述障礙物規(guī)避的不等式約束,并將其作為約束條件考慮到軌跡跟蹤控制中,實現(xiàn)自由漂浮空間機器人規(guī)避障礙物的目的。仿真結(jié)果表明,該方法能夠有效完成路徑跟蹤任務(wù),同時實現(xiàn)對障礙物的規(guī)避。針對存在轉(zhuǎn)動慣量不確定性和外部干擾力矩的撓性自由漂浮空間機器人系統(tǒng),提出了基于自適應(yīng)滑模變結(jié)構(gòu)控制的姿態(tài)控制器。所設(shè)計控制器中引入實時參數(shù)更新策略對干擾力矩進行估計,并且不含有轉(zhuǎn)動慣量矩陣,克服了傳統(tǒng)滑�？刂破餍枰@取轉(zhuǎn)動慣量參數(shù)及干擾力矩上界的缺點。此外,進一步考慮系統(tǒng)的輸入飽和,提出了另一種自適應(yīng)滑模變結(jié)構(gòu)控制器,保證了存在輸入飽和情況下閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,仿真結(jié)果驗證了所提方法的有效性。
【圖文】：

典型的空間機器人通常由兩個主要部件構(gòu)成：基座或航天器本體和搭載在本體上的一個 n自由度機械臂�？臻g機器人被認為是空間在軌服務(wù)任務(wù)中最有前途的方法之一，它可以代替宇航員執(zhí)行參外危險任務(wù)或宇航員無法完成的任務(wù)，如空間飛行器的對接與�？�、燃料補充、航天器維修、艙外救援及空間碎片清理等。1.2.1 國外空間機器人研究現(xiàn)狀1.2.1.1 加拿大空間機器人世界上第一個成功用于空間在軌服務(wù)的機器人為 1981 年隨著美國哥倫比亞航天飛機一起發(fā)射入軌的航天飛機遙控機械臂系統(tǒng)（SRMS），也稱為加拿大臂 1 號（Canadarm1），該空間機器人由加拿大 MD Robotic 公司研制，如圖 1-1所示[5]。該機械臂系統(tǒng)由硬度較高的碳纖維材料制成，并具有六個自由度，總長 15.2 米，直徑 0.38 米，重 41.5 千克，最大負載 29484 千克，空載狀態(tài)下的速度為 0.6 米/秒，滿載狀態(tài)下的速度為 0.06 米/秒。最初設(shè)計目的是用于投放衛(wèi)星進入軌道、維修失效衛(wèi)星及建設(shè)國際空間站等。

典型的空間機器人通常由兩個主要部件構(gòu)成：基座或航天器本體和搭載在本體上的一個 n自由度機械臂�？臻g機器人被認為是空間在軌服務(wù)任務(wù)中最有前途的方法之一，它可以代替宇航員執(zhí)行參外危險任務(wù)或宇航員無法完成的任務(wù)，如空間飛行器的對接與�？�、燃料補充、航天器維修、艙外救援及空間碎片清理等。1.2.1 國外空間機器人研究現(xiàn)狀1.2.1.1 加拿大空間機器人世界上第一個成功用于空間在軌服務(wù)的機器人為 1981 年隨著美國哥倫比亞航天飛機一起發(fā)射入軌的航天飛機遙控機械臂系統(tǒng)（SRMS），，也稱為加拿大臂 1 號（Canadarm1），該空間機器人由加拿大 MD Robotic 公司研制，如圖 1-1所示[5]。該機械臂系統(tǒng)由硬度較高的碳纖維材料制成，并具有六個自由度，總長 15.2 米，直徑 0.38 米，重 41.5 千克，最大負載 29484 千克，空載狀態(tài)下的速度為 0.6 米/秒，滿載狀態(tài)下的速度為 0.06 米/秒。最初設(shè)計目的是用于投放衛(wèi)星進入軌道、維修失效衛(wèi)星及建設(shè)國際空間站等。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：V441;TP242

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本文編號：2631423