非合作目標(biāo)對(duì)接路徑規(guī)劃及柔順控制研究.pdf

1、隨著航天技術(shù)的發(fā)展,空間對(duì)接由合作目標(biāo)對(duì)接向非合作目標(biāo)對(duì)接發(fā)展。利用非合作目標(biāo)對(duì)接技術(shù)可實(shí)現(xiàn)空間任意飛行器之間的對(duì)接,擴(kuò)展空間活動(dòng)范圍,如實(shí)現(xiàn)空間垃圾清理、衛(wèi)星回收、燃料補(bǔ)給、零件更換、系統(tǒng)升級(jí)等空間活動(dòng)。非合作目標(biāo)對(duì)接技術(shù)具有很高的應(yīng)用價(jià)值和軍事意義,世界各航天大國(guó)都在積極進(jìn)行研究和試驗(yàn)。我國(guó)對(duì)非合作目標(biāo)對(duì)接技術(shù)的研究落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。因此,加快研究空間非合作目標(biāo)對(duì)接技術(shù)十分迫切。本文以具有能源消耗低特點(diǎn)的自由漂浮模式空間機(jī)械臂系統(tǒng)為研

2、究對(duì)象,對(duì)其在執(zhí)行非合作目標(biāo)抓捕任務(wù)中的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了研究,主要包括空間機(jī)械臂最佳碰撞構(gòu)型的規(guī)劃問(wèn)題,抓捕前空間機(jī)械臂系統(tǒng)的路徑規(guī)劃問(wèn)題以及空間機(jī)械臂系統(tǒng)的柔順控制問(wèn)題。
　　通過(guò)對(duì)空間機(jī)械臂系統(tǒng)的速度分析,推導(dǎo)出其運(yùn)動(dòng)學(xué)方程;采用拉格朗日方程法完成了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的建立;結(jié)合動(dòng)量表達(dá)式,推導(dǎo)出系統(tǒng)的廣義雅可比矩陣,為后續(xù)最佳碰撞構(gòu)型及路徑規(guī)劃等相關(guān)問(wèn)題研究做好了充分的理論準(zhǔn)備。
　　基于角動(dòng)量定理,研究了空間機(jī)械臂系統(tǒng)在執(zhí)

3、行非合作目標(biāo)抓捕任務(wù)中的最佳碰撞構(gòu)型問(wèn)題,確定了最佳碰撞構(gòu)型的判斷依據(jù),分析了系統(tǒng)及其各組成部分的角動(dòng)量受碰撞力的影響,完成了自由漂浮六自由度空間機(jī)械臂系統(tǒng)的最佳碰撞構(gòu)型規(guī)劃?？臻g機(jī)械臂保持最佳碰撞構(gòu)型,可對(duì)系統(tǒng)在抓捕任務(wù)中產(chǎn)生的角動(dòng)量增量實(shí)現(xiàn)有效控制,提高了非合作目標(biāo)對(duì)接的安全性和可靠性。
　　開(kāi)展了空間機(jī)械臂系統(tǒng)路徑規(guī)劃的研究,包括點(diǎn)到點(diǎn)路徑規(guī)劃及連續(xù)路徑的規(guī)劃。連續(xù)路徑規(guī)劃包括連續(xù)位姿追蹤規(guī)劃和基座姿態(tài)無(wú)擾動(dòng)路徑規(guī)劃。由于系

4、統(tǒng)基座姿態(tài)的改變易對(duì)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生較大的干擾,影響路徑規(guī)劃中機(jī)械臂末端位姿的追蹤精度。本文重點(diǎn)研究了基座姿態(tài)無(wú)擾動(dòng)下的路徑規(guī)劃,保證空間機(jī)械臂系統(tǒng)準(zhǔn)確到達(dá)期望位置的同時(shí),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)基座姿態(tài)不受擾動(dòng),并使空間機(jī)械臂各關(guān)節(jié)保持捕獲前最佳碰撞構(gòu)型狀態(tài)。
　　為有效減小空間機(jī)械臂系統(tǒng)在抓捕過(guò)程中產(chǎn)生的碰撞力,本文研究了空間機(jī)械臂系統(tǒng)的柔順控制問(wèn)題。將非接觸阻抗控制算法應(yīng)用于空間機(jī)械臂系統(tǒng),在傳統(tǒng)阻抗控制算法的基礎(chǔ)上,利用虛擬接觸的概念,建立