| 题名 | 面向在轨捕获任务的空间机器人运动规划与解耦控制研究 |
| 作者 | 张鑫1,2 |
| 答辩日期 | 2019-05-19 |
| 授予单位 | 中国科学院沈阳自动化研究所 |
| 授予地点 | 沈阳 |
| 导师 | 刘金国 |
| 关键词 | 空间机器人 复合刚体动力学建模 动力学奇异性 运动规划 抓捕策略 |
| 学位名称 | 博士 |
| 其他题名 | Motion Planning and Decoupling Control of Space Robots for On-Orbit Capture Tasks |
| 学位专业 | 机械电子工程 |
| 英文摘要 | 面向在轨服务的空间机器人工作模式主要有两种：自由飞行模式和自由漂浮模式。其中，自由飞行模式下的空间机器人，其基体的位置和姿态是完全可控的；而自由漂浮模式下的空间机器人，其基体的位置和姿态是不受控制的。由于，不同工作模式下的系统具有不同运动学和动力学特性，导致不同工作模式下捕获任务中难点与侧重不同。从当前的文献来看，大多数学者的研究集中于自由漂浮空间机器人，这主要由于其欠驱动多体动力学系统具有丰富的理论研究意义；而自由飞行空间机器人，更偏重于实际工程应用。从空间机器人技术的发展趋势来看，其构型逐渐从单臂式向多臂式发展，其服务对象逐渐从面向合作目标向面向非合作目标方向发展。基于上述背景，本文的研究对象将不局限于单一构型的空间机器人，将面向不同工作模式下空间机器人目标捕获任务中的难点和瓶颈问题，开展如下几个方面的研究工作：（1）自由漂浮模式下的空间机器人目标捕获策略与运动规划研究。自由漂浮空间机器人系统仅机械臂受控，系统运动学方程的雅可比矩阵为广义雅可比矩阵。由于广义雅可比矩阵具有动力学奇异性，它的奇异性不仅与系统的尺寸参数有关，而且与系统的惯性参数有关，因此无法预先判断系统的奇异构型，给空间机器人的运动规划带来巨大的挑战。本文基于遥编程框架，提出一种运动参考变量与时间无关的自主规划方法。首先，通过分析捕获任务的抓捕约束，将轨迹规划问题转化为轨迹优化问题；然后，采用正向微分运动学、数值积分以及优化算法，设计一套可有效地回避广义雅可比矩阵的动力学奇异的离线规划流程；其次，为进一步为提高离线规划效率，提出一种考虑基体停靠位置和抓取域的新型抓捕策略。此外，考虑到基体姿态可以通过控制动量轮进行补偿，推导了基体姿态可控模式下漂浮基空间机器人的速度级运动方程，并基于奇异值滤波方法，研究了空间机器人在操作空间的在线规划问题。（2）自由飞行模式下的空间机器人解耦控制方法研究。空间机器人由基体卫星和机械臂两部分组成，二者之间存在动力学耦合作用。由于动力学耦合作用，机械臂的运动会引起基体的位姿改变，进而，基体位姿的改变也会影响机械臂的操作精度，因此，主动补偿耦合对空间机器人的精准操作具有重要意义。本文基于系统整体模型出发，分析了系统的耦合特性，并提出两种鲁棒解耦控制方法：基于模型（基于计算力矩的滑模控制）和无模型方法（基于时延预测的滑模控制），通过定性分析和定量分析对比两种控制方法的效果。（3）面向不具备抓捕特征目标的捕获方法研究。本文将非合作目标进一步细分为：可抓捕目标和不具备抓捕特征的目标。可抓捕目标带有可抓捕特征，采用常规机械手爪即可完成抓捕任务；而不具备抓捕特征的目标不带有抓捕特征，无法通过常规机械手爪抓捕。针对不具备抓捕特征的目标，本文提出一种锁笼对捕获方法，并在机械臂速度操作性和力操作性的基础上，提出锁困操作性概念以及其性能指标，用于定量地描述所提出方法的捕获能力。然后，基于该性能指标，提出一种规划预捕获构型的规划算法以获得最优捕获能力。最后，搭建二维气浮式空间机器人实验平台，验证所提捕获方法的有效性。以上三方面研究，可为后续我国在轨服务空间机器人的目标捕获任务提供一定的理论基础与技术支撑。 |
| 语种 | 中文 |
| 产权排序 | 1 |
| 页码 | 146页 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.sia.cn/handle/173321/25158]  |
| 专题 | 沈阳自动化研究所_空间自动化技术研究室 |
| 作者单位 | 1.中国科学院大学 2.中国科学院沈阳自动化研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 张鑫. 面向在轨捕获任务的空间机器人运动规划与解耦控制研究[D]. 沈阳. 中国科学院沈阳自动化研究所. 2019. |
| 个性服务 |
| 查看访问统计 |
| 相关权益政策 |
| 暂无数据 |
| 收藏/分享 |
除非特别说明，本系统中所有内容都受版权保护，并保留所有权利。
修改评论