基于再生核理論的雙臂自由飛行空間機器人運動控制研究.pdf

1、本文基于再生核理論對雙臂自由飛行空間機器人（Dual-Arm Free-Flying Space Robot,簡稱DFFSR）運動控制的數(shù)值方法進行了研究。自由飛行空間機器人是當(dāng)今空間機器人研究領(lǐng)域中的主要研究方向之一，它由機器人本體和搭載在本體上的空間機械臂組成，可在宇宙空間中自由飛行或浮游，代替宇航員從事各種艙外作業(yè)。我們知道，再生核理論（Reproducing Kernel Theory,簡稱 RKT）是有關(guān) Hilbert函數(shù)空

2、間的理論，在應(yīng)用它進行數(shù)值分析時，得到了令人滿意的結(jié)果，不但給出了許多種插值問題的最佳插值方法，而且數(shù)值求解方程的近似解精度非常高，由于它本身所具有的良好的局部性質(zhì)，是研究數(shù)值分析比較理想的空間框架。因此，本文基于再生核理論對DFFSR運動控制的數(shù)值方法進行了研究。本文研究了雙臂 n自由度（n為正整數(shù)）空間機器人姿態(tài)控制的再生核解法，基于再生核理論的飛行目標(biāo)追蹤軌跡求解算法，及基于再生核理論實現(xiàn)對多 FFSR協(xié)調(diào)操作動力學(xué)控制，并討論了

3、雙臂空間機器人捕捉未知目標(biāo)的參數(shù)辨識方法等幾個重要問題。
　　本文首先對雙臂n自由度空間機器人的姿態(tài)控制問題進行再生核求解，以實現(xiàn)對雙臂n自由度空間機器人的最優(yōu)控制。給出了雙臂n自由度（n為正整數(shù)）空間機器人的姿態(tài)控制再生核解法的通用模型公式，該方法可對任意自由度的雙臂空間機器人進行最優(yōu)控制。由于為保證空間機器人的通信系統(tǒng)正常工作和太陽能帆板的定向，必須保證空間機器人在空間作業(yè)時姿態(tài)的穩(wěn)定。本文所提出的方法對雙臂空間機器人的研究具

4、有重要意義和實用價值，是一個值得推廣的新的研究成果。
　　基于再生核理論的飛行目標(biāo)追蹤軌跡求解算法的研究，如果是兩空間飛行器相對運動軌跡彎曲很小且控制系統(tǒng)采用陀螺慣性平臺情況時，對Hill方程的研究，應(yīng)采用慣性坐標(biāo)系，但這時的近似模型是線性變系數(shù)常微分方程組，沒有解析解，需用數(shù)值方法求解。兩飛行器在空間實現(xiàn)交會對接，需要高精度的測量、控制系統(tǒng)來測定目標(biāo)和追蹤器之間的相對軌道位置和速度，以保證交會對接的順利實現(xiàn)。因此，能夠?qū)娠w行器

5、相對運動動力學(xué)方程進行精確求解具有重要意義。但目前對無解析解的相對運動動力學(xué)方程求解還僅限于數(shù)值積分法、數(shù)值微分法、泰勒展開法等,在解法上沒有新的進展?；诖?本文對兩飛行器相對運動動力學(xué)方程在慣性坐標(biāo)系下近似模型的再生核解法進行了研究,該方法較數(shù)值積分法具有更高的精度，以此開拓在該領(lǐng)域?qū)π碌臄?shù)值方法的應(yīng)用研究。
　　基于再生核理論研究了在空間微重力環(huán)境下對多 FFSR協(xié)調(diào)操作的動力學(xué)控制。對多個FFSR施加于同一目標(biāo)并使其產(chǎn)生運

6、動的期望軌跡上進行采樣,用再生核插值逼近提取采樣點的期望軌跡，利用多FFSR協(xié)調(diào)操作的動力學(xué)方程,基于再生核理論實現(xiàn)了多FFSR協(xié)調(diào)操作的動力學(xué)控制。該方法較現(xiàn)有的其它方法具有優(yōu)點,對施加運動的目標(biāo)運動軌跡不用運動方程表示，可按人們需要做任意的非線性曲線運動，沒有局限性；且用再生核方法插值逼近，較多項式插值、樣條插值更具優(yōu)勢，每增加一個節(jié)點，逼近誤差在索伯列夫范數(shù)意義下單調(diào)下降；對任意形式加密的節(jié)點系，迭代過程一致收斂；公式單一，便于計

7、算機計算。該方法對多FFSR在太空作業(yè)協(xié)調(diào)操作的研究,會有很大的實際應(yīng)用價值。
　　由于對機械臂進行運動控制需要計算廣義雅可比矩陣，而廣義雅可比矩陣不但包含了機器人的幾何參數(shù)還包含了慣性參數(shù)。機器人本體的慣性參數(shù)是隨著載荷的變化及燃料的消耗而發(fā)生變化，為了對機械臂的運動及其捕捉到目標(biāo)后的運動進行精確的控制，必須進行參數(shù)辨識。本文給出了雙臂空間機器人捕捉到幾何參數(shù)未知的目標(biāo)后的參數(shù)辨識方法。該方法基于線動量和角動量守恒定律，推出了當(dāng)

8、機械臂負載未知目標(biāo)以后，關(guān)于新的末端效應(yīng)器的質(zhì)量、質(zhì)心和慣性張量的方程組，通過在線測量機械臂運動對本體干擾的線速度和角速度，以求得方程組中這些未知的慣性參數(shù)。本文所提出的方法解決了何光彩提出的參數(shù)辨識方法不能解決捕捉到幾何參數(shù)未知的目標(biāo)后的參數(shù)辨識問題。
　　最后，本文提出了一種利用Vega來實現(xiàn)雙臂空間機器人三維動畫仿真系統(tǒng)的方法，簡要介紹了仿真系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境、結(jié)構(gòu)及其實現(xiàn)方法。該仿真系統(tǒng)是在SGI工作站上，利用Multigen