空間機器人快速在軌抓捕動力學(xué)與控制研究.pdf

1、空間機器人在軌抓捕相關(guān)技術(shù)是高級在軌服務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于空間機器人動力學(xué)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)復(fù)雜的非線性及耦合特性，使得在軌抓捕操作面臨動力學(xué)與控制等方面的諸多難題。此外，若抓捕對象為故障或失效航天器等非合作目標(biāo)，其對空間機器人的運動規(guī)劃與控制提出了更大的挑戰(zhàn)，相關(guān)技術(shù)是目前航天工程領(lǐng)域研究的熱點問題。本文針對空間機器人快速在軌逼近與抓捕一類非合作目標(biāo)的難點問題，系統(tǒng)深入地研究了空間機器人逼近與抓捕過程動力學(xué)建模、運動規(guī)劃、抓捕過程軌跡跟蹤控制

2、以及抓捕后協(xié)同控制等問題。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、沤⒘丝臻g機器人快速逼近與抓捕過程的動力學(xué)模型，揭示了空間機器人動力學(xué)特性及受重力梯度擾動下的姿態(tài)動力學(xué)響應(yīng)特性。對空間機器人飛越式逼近過程，建立了空間機器人與目標(biāo)相對運動軌道動力學(xué)模型；針對空間機器人抓捕過程，建立了空間機器人抓捕操作動力學(xué)模型；將空間機器人與目標(biāo)接觸假設(shè)為瞬時過程，建立了空間機器人抓捕目標(biāo)后耦合系統(tǒng)動力學(xué)模型。將以上模型映射到同一坐標(biāo)空間，建立了空間機器人在

3、軌逼近與抓捕全過程的系統(tǒng)動力學(xué)方程。針對空間機器人飛越式逼近與抓捕過程中處于自由漂浮模式的特點，從系統(tǒng)約束特性和動力學(xué)奇異性方面解析分析了自由漂浮空間機器人動力學(xué)特性，揭示了其對空間機器人工作空間的影響；研究了空間機器人關(guān)節(jié)零反作用空間特性，提出了關(guān)節(jié)空間動力學(xué)解耦運動條件。通過仿真算例驗證了理論與方法的有效性。研究了作為主要環(huán)境擾動的重力梯度力矩對自由漂浮空間機器人的姿態(tài)擾動影響，建立了考慮姿態(tài)與軌道耦合作用的自由漂浮空間機器人受重力

4、梯度擾動動力學(xué)方程；針對不同軌道參數(shù)和初始條件仿真分析了系統(tǒng)姿態(tài)動力學(xué)響應(yīng)，包括空間機器人關(guān)節(jié)無控時姿態(tài)受擾動分析、關(guān)節(jié)鎖定時俯仰姿態(tài)受擾動分析以及長時間工作時末端位姿影響分析。揭示了受重力梯度擾動自由漂浮空間機器人姿態(tài)動力學(xué)的非線性特征。
　?、铺岢隽丝臻g機器人快速逼近與抓捕過程的一體化運動規(guī)劃方法。針對一類非合作目標(biāo)在軌抓捕問題，提出了空間機器人飛越式逼近中同步抓捕目標(biāo)的快速抓捕策略；針對抓捕過程中空間機器人運動特點，分別定義

5、了飛越式逼近的飛行階段和機械臂抓捕實現(xiàn)流程；基于瞬時接觸過程的基本假設(shè)，建立了空間機器人與目標(biāo)接觸過程的角動量傳遞模型，利用模型設(shè)計了抓捕過程對空間機器人的基座姿態(tài)擾動最小約束條件。從物理約束、任務(wù)約束和安全約束方面提出了空間機器人逼近軌跡和抓捕軌跡設(shè)計指標(biāo)，系統(tǒng)建立了空間機器人快速逼近與抓捕過程一體化運動規(guī)劃模型。提出了基于混沌差分進化算法的規(guī)劃模型求解思路和實現(xiàn)流程，針對典型算例開展了數(shù)值仿真，驗證了規(guī)劃模型和求解算法的有效性。

6、r>　?、翘岢隽丝臻g機器人在有限時間內(nèi)快速抓捕和轉(zhuǎn)移目標(biāo)的軌跡跟蹤控制方法。針對空間機器人在逼近過程中抓捕目標(biāo)問題，提出了有限時間變結(jié)構(gòu)控制方法；在此基礎(chǔ)上，針對空間機器人系統(tǒng)參數(shù)不確定性和非參數(shù)不確定性，建立了徑向基函數(shù)（Radial Basis Function，RBF）網(wǎng)絡(luò)補償模型自適應(yīng)補償控制系統(tǒng)模型誤差，提出了自適應(yīng)RBF網(wǎng)絡(luò)非奇異終端滑模控制方法；進一步考慮關(guān)節(jié)執(zhí)行器輸出飽和問題，基于雙RBF網(wǎng)絡(luò)補償模型提出了約束自適應(yīng)RB

7、F網(wǎng)絡(luò)非奇異終端滑?？刂品椒ǎ焕梅抡嫠憷龑⑸鲜隹刂品椒ㄅc傳統(tǒng)滑?？刂七M行了對比分析，驗證了所提出的控制方法在收斂時間和收斂精度等方面的改進效果。針對空間機器人捕獲目標(biāo)后的耦合系統(tǒng)轉(zhuǎn)移目標(biāo)操作，提出了機械臂末端工作空間動力學(xué)解耦條件，使耦合系統(tǒng)僅驅(qū)動機械臂即可實現(xiàn)對目標(biāo)與基座姿態(tài)的獨立控制；在此基礎(chǔ)上針對轉(zhuǎn)移操作時間有限和復(fù)雜環(huán)境擾動因素，提出了目標(biāo)轉(zhuǎn)移操作中對基座姿態(tài)無擾動的有限時間協(xié)同控制方法；利用仿真算例開展了對比分析，驗證了控制

8、算法的有效性。
　?、仍O(shè)計了空間機器人抓捕目標(biāo)的地面驗證實驗方案，開展了動力學(xué)特性及控制算法的地面驗證實驗。利用基于氣浮式微重力平臺的地面驗證實驗系統(tǒng)，設(shè)計了空間機器人抓捕目標(biāo)的地面驗證實驗方案；對空間機器人在自由漂浮模式下的動力學(xué)耦合特性分析結(jié)果和該模式下基座無擾動控制算法開展了地面驗證實驗，實驗結(jié)果驗證了論文理論模型與仿真計算的正確性。研究了空間機器人飛越式逼近運動中同步抓捕目標(biāo)過程的動力學(xué)、規(guī)劃與控制問題，系統(tǒng)地提出了針對一