基于再生核理论的双臂自由飞行空间机器人运动控制研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:Cary1986
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本文基于再生核理论对双臂自由飞行空间机器人(Dual-Arm Free-Flying Space Robot,简称DFFSR)运动控制的数值方法进行了研究。自由飞行空间机器人是当今空间机器人研究领域中的主要研究方向之一,它由机器人本体和搭载在本体上的空间机械臂组成,可在宇宙空间中自由飞行或浮游,代替宇航员从事各种舱外作业。我们知道,再生核理论(Reproducing Kernel Theory,简称 RKT)是有关 Hilbert函数空间的理论,在应用它进行数值分析时,得到了令人满意的结果,不但给出了许多种插值问题的最佳插值方法,而且数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质,是研究数值分析比较理想的空间框架。因此,本文基于再生核理论对DFFSR运动控制的数值方法进行了研究。本文研究了双臂 n自由度(n为正整数)空间机器人姿态控制的再生核解法,基于再生核理论的飞行目标追踪轨迹求解算法,及基于再生核理论实现对多 FFSR协调操作动力学控制,并讨论了双臂空间机器人捕捉未知目标的参数辨识方法等几个重要问题。  本文首先对双臂n自由度空间机器人的姿态控制问题进行再生核求解,以实现对双臂n自由度空间机器人的最优控制。给出了双臂n自由度(n为正整数)空间机器人的姿态控制再生核解法的通用模型公式,该方法可对任意自由度的双臂空间机器人进行最优控制。由于为保证空间机器人的通信系统正常工作和太阳能帆板的定向,必须保证空间机器人在空间作业时姿态的稳定。本文所提出的方法对双臂空间机器人的研究具有重要意义和实用价值,是一个值得推广的新的研究成果。  基于再生核理论的飞行目标追踪轨迹求解算法的研究,如果是两空间飞行器相对运动轨迹弯曲很小且控制系统采用陀螺惯性平台情况时,对Hill方程的研究,应采用惯性坐标系,但这时的近似模型是线性变系数常微分方程组,没有解析解,需用数值方法求解。两飞行器在空间实现交会对接,需要高精度的测量、控制系统来测定目标和追踪器之间的相对轨道位置和速度,以保证交会对接的顺利实现。因此,能够对两飞行器相对运动动力学方程进行精确求解具有重要意义。但目前对无解析解的相对运动动力学方程求解还仅限于数值积分法、数值微分法、泰勒展开法等,在解法上没有新的进展。基于此,本文对两飞行器相对运动动力学方程在惯性坐标系下近似模型的再生核解法进行了研究,该方法较数值积分法具有更高的精度,以此开拓在该领域对新的数值方法的应用研究。  基于再生核理论研究了在空间微重力环境下对多 FFSR协调操作的动力学控制。对多个FFSR施加于同一目标并使其产生运动的期望轨迹上进行采样,用再生核插值逼近提取采样点的期望轨迹,利用多FFSR协调操作的动力学方程,基于再生核理论实现了多FFSR协调操作的动力学控制。该方法较现有的其它方法具有优点,对施加运动的目标运动轨迹不用运动方程表示,可按人们需要做任意的非线性曲线运动,没有局限性;且用再生核方法插值逼近,较多项式插值、样条插值更具优势,每增加一个节点,逼近误差在索伯列夫范数意义下单调下降;对任意形式加密的节点系,迭代过程一致收敛;公式单一,便于计算机计算。该方法对多FFSR在太空作业协调操作的研究,会有很大的实际应用价值。  由于对机械臂进行运动控制需要计算广义雅可比矩阵,而广义雅可比矩阵不但包含了机器人的几何参数还包含了惯性参数。机器人本体的惯性参数是随着载荷的变化及燃料的消耗而发生变化,为了对机械臂的运动及其捕捉到目标后的运动进行精确的控制,必须进行参数辨识。本文给出了双臂空间机器人捕捉到几何参数未知的目标后的参数辨识方法。该方法基于线动量和角动量守恒定律,推出了当机械臂负载未知目标以后,关于新的末端效应器的质量、质心和惯性張量的方程组,通过在线测量机械臂运动对本体干扰的线速度和角速度,以求得方程组中这些未知的惯性参数。本文所提出的方法解决了何光彩提出的参数辨识方法不能解决捕捉到几何参数未知的目标后的参数辨识问题。  最后,本文提出了一种利用Vega来实现双臂空间机器人三维动画仿真系统的方法,简要介绍了仿真系统的开发环境、结构及其实现方法。该仿真系统是在SGI工作站上,利用Multigen Creator建模工具和三维视景仿真软件Vega来实现机器人本体及被捕捉目标的建模和动画仿真。该仿真系统能为空间机器人的轨迹规划、运动学分析和运动控制的算法设计提供重要信息,并能对理论和算法的可行性加以验证。
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