面向在軌維護的自由漂浮空間機器人運動規(guī)劃與控制研究.pdf

1、人類日益頻繁而復雜的空間探索活動，使得空間飛行器在軌服務(wù)技術(shù)成為近年來研究熱點。空間機器人系統(tǒng)在空間飛行器在軌維護領(lǐng)域具有無可比擬的優(yōu)越性，特別是采用自由漂浮空間機器人系統(tǒng)執(zhí)行在軌維護任務(wù)，具有壽命長和安全性好等優(yōu)勢。而自由漂浮空間機器人能否順利執(zhí)行在軌維護任務(wù)，其運動規(guī)劃與控制方法研究是重要的基礎(chǔ)和需要迫切解決的關(guān)鍵理論與技術(shù)問題，因此開展相關(guān)方面研究具有重要的理論與實際意義。
　　為實現(xiàn)自由漂浮空間機器人在軌維護任務(wù)中涉及的目

2、標安全交會接近、目標捕獲的軌跡規(guī)劃、穩(wěn)定的軌跡跟蹤控制等任務(wù)，本文考慮自由漂浮空間機器人系統(tǒng)所具有的有別于固定基座機器人一些特殊性質(zhì)，在分析自由漂浮空間機器人系統(tǒng)運動學、動力學基礎(chǔ)之上，重點研究接近一類非合作空間目標的安全交會路徑規(guī)劃問題，回避動力學奇異的軌跡規(guī)劃問題，約束基座姿態(tài)變化的軌跡規(guī)劃問題,自適應(yīng)軌跡跟蹤控制與自適應(yīng)魯棒軌跡跟蹤控制等問題。具體研究內(nèi)容主要包括以下幾個方面：
　　本文首先在軌道坐標系下，建立自由漂浮空間機

3、器人（追蹤衛(wèi)星）運動方程；在慣性坐標系內(nèi)推導非完整約束條件下自由漂浮空間機器人的運動學方程，分析由非完整約束導致的系統(tǒng)廣義雅可比矩陣動力學參數(shù)相關(guān)特性，給出自由漂浮空間機器人可達工作空間，并基于廣義雅可比矩陣求解系統(tǒng)的奇異空間；利用Lagrange方程建立基于擴展機械臂的自由漂浮空間機器人關(guān)節(jié)空間動力學模型，并對系統(tǒng)內(nèi)動態(tài)問題進行分析，為后續(xù)章節(jié)的展開提供研究基礎(chǔ)。
　　針對外層太空環(huán)境的自由漂浮空間機器人（追蹤衛(wèi)星）交會路徑規(guī)劃

4、問題，本文提出軌道坐標系內(nèi)安全接近一類非合作空間目標的交會路徑規(guī)劃方法。首先研究自由漂浮空間機器人整體交會路徑規(guī)劃策略和最終接近階段交會路徑規(guī)劃的安全性原則；然后采用由安全原則生成的自由漂浮空間機器人移動橢圓軌跡，最終接近一類自旋的非合作空間目標。該方法實現(xiàn)空間機器人系統(tǒng)能夠以自由漂浮工作模式接近該類非合作空間目標，并且有利于安全逃逸。
　　由于自由漂浮空間機器人系統(tǒng)角動量守恒方程不可積，導致系統(tǒng)廣義雅可比矩陣奇異與動力學慣性參數(shù)

5、有關(guān)，形成動力學奇異性問題，增加了軌跡規(guī)劃難度。本文針對非完整約束導致的系統(tǒng)廣義雅可比矩陣動力學奇異性問題，采用基于運動方程分解的方案，通過構(gòu)造迭代函數(shù)得到一種間接求解逆運動學方法，避免直接求解逆廣義雅可比矩陣，將動力學奇異轉(zhuǎn)換為運動學奇異問題，實現(xiàn)自由漂浮空間機器人回避動力學奇異的非完整軌跡規(guī)劃。
　　自由漂浮空間機器人系統(tǒng)基座處于自由漂浮狀態(tài)，因而機械臂運動對基座姿態(tài)會產(chǎn)生擾動，即由于機械臂與基座之間動力學耦合作用導致系統(tǒng)存在

6、姿態(tài)干擾特性，但是基座姿態(tài)的穩(wěn)定對于確保衛(wèi)星與地球通訊以及太陽能電池正常工作非常重要。本文針對自由漂浮空間機器人系統(tǒng)存在的姿態(tài)干擾特性，采用冗余機械臂實現(xiàn)約束基座姿態(tài)變化的同時保證末端執(zhí)行器完成軌跡規(guī)劃任務(wù)，重點對基座姿態(tài)零擾動的自由漂浮空間機器人相關(guān)運動學基本理論和軌跡規(guī)劃進行研究。為實現(xiàn)自由漂浮空間機器人在整個運動過程中的基座姿態(tài)零擾動，引入了具有非完整特性的基座姿態(tài)零擾動約束方程，提出一種基座姿態(tài)零擾動的非完整軌跡規(guī)劃方法。該方法

7、可以僅通過規(guī)劃機械臂運動，即保證機械臂末端達到目標點又同時確?；藨B(tài)零擾動。
　　自由漂浮空間機器人系統(tǒng)中存在一些難以精確確定的系統(tǒng)參數(shù),要滿足高精度地跟蹤設(shè)計軌跡，控制器必須具有自適應(yīng)能力，能夠自動修正控制器中的某些參數(shù)以適應(yīng)變化的控制對象。為解決笛卡爾空間的參考軌跡無法在關(guān)節(jié)空間中實現(xiàn)的困難以及避免系統(tǒng)動力學方程不能線性參數(shù)化的問題，本文采用擴展機械臂法并在笛卡爾空間內(nèi)研究自由漂浮空間機器人自適應(yīng)軌跡跟蹤問題。在推導系統(tǒng)笛卡

8、爾空間內(nèi)動力學方程基礎(chǔ)上，針對系統(tǒng)慣性參數(shù)不確定問題研究了笛卡爾空間復合自適應(yīng)軌跡跟蹤控制問題，設(shè)計相應(yīng)的控制器，分析其穩(wěn)定性，仿真結(jié)果表明這種自適應(yīng)控制策略都能夠保證對末端執(zhí)行器期望軌跡的穩(wěn)定漸近跟蹤。
　　針對自由漂浮空間機器人系統(tǒng)同時還存在外部干擾等非參數(shù)不確定性問題，本文研究自由漂浮空間機器人自適應(yīng)魯棒軌跡跟蹤控制問題。建立了同時考慮機械臂和基座外部干擾的笛卡爾空間自由漂浮空間機器人動力學模型；分析假設(shè)外部干擾界形式已知情