空間機(jī)器人快速在軌抓捕動(dòng)力學(xué)與控制研究.pdf

1、空間機(jī)器人在軌抓捕相關(guān)技術(shù)是高級(jí)在軌服務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于空間機(jī)器人動(dòng)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(dòng)力學(xué)與控制等方面的諸多難題。此外，若抓捕對(duì)象為故障或失效航天器等非合作目標(biāo)，其對(duì)空間機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)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(diǎn)問題。本文針對(duì)空間機(jī)器人快速在軌逼近與抓捕一類非合作目標(biāo)的難點(diǎn)問題，系統(tǒng)深入地研究了空間機(jī)器人逼近與抓捕過程動(dòng)力學(xué)建模、運(yùn)動(dòng)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(jī)器人快速逼近與抓捕過程的動(dòng)力學(xué)模型，揭示了空間機(jī)器人動(dòng)力學(xué)特性及受重力梯度擾動(dòng)下的姿態(tài)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性。對(duì)空間機(jī)器人飛越式逼近過程，建立了空間機(jī)器人與目標(biāo)相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌道動(dòng)力學(xué)模型；針對(duì)空間機(jī)器人抓捕過程，建立了空間機(jī)器人抓捕操作動(dòng)力學(xué)模型；將空間機(jī)器人與目標(biāo)接觸假設(shè)為瞬時(shí)過程，建立了空間機(jī)器人抓捕目標(biāo)后耦合系統(tǒng)動(dòng)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(jī)器人在

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

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

5、了飛越式逼近的飛行階段和機(jī)械臂抓捕實(shí)現(xiàn)流程；基于瞬時(shí)接觸過程的基本假設(shè)，建立了空間機(jī)器人與目標(biāo)接觸過程的角動(dòng)量傳遞模型，利用模型設(shè)計(jì)了抓捕過程對(duì)空間機(jī)器人的基座姿態(tài)擾動(dòng)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(jī)器人逼近軌跡和抓捕軌跡設(shè)計(jì)指標(biāo)，系統(tǒng)建立了空間機(jī)器人快速逼近與抓捕過程一體化運(yùn)動(dòng)規(guī)劃模型。提出了基于混沌差分進(jìn)化算法的規(guī)劃模型求解思路和實(shí)現(xiàn)流程，針對(duì)典型算例開展了數(shù)值仿真，驗(yàn)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(jī)器人在有限時(shí)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(duì)空間機(jī)器人在逼近過程中抓捕目標(biāo)問題，提出了有限時(shí)間變結(jié)構(gòu)控制方法；在此基礎(chǔ)上，針對(duì)空間機(jī)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(bǔ)償模型自適應(yīng)補(bǔ)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?？刂品椒?；進(jìn)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(bǔ)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?；利用仿真算例將上述控制方法與傳統(tǒng)滑?？刂七M(jìn)行了對(duì)比分析，驗(yàn)證了所提出的控制方法在收斂時(shí)間和收斂精度等方面的改進(jìn)效果。針對(duì)空間機(jī)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(jī)械臂末端工作空間動(dòng)力學(xué)解耦條件，使耦合系統(tǒng)僅驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂即可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)與基座姿態(tài)的獨(dú)立控制；在此基礎(chǔ)上針對(duì)轉(zhuǎn)移操作時(shí)間有限和復(fù)雜環(huán)境擾動(dòng)因素，提出了目標(biāo)轉(zhuǎn)移操作中對(duì)基座姿態(tài)無擾動(dòng)的有限時(shí)間協(xié)同控制方法；利用仿真算例開展了對(duì)比分析，驗(yàn)證了控制

8、算法的有效性。
　?、仍O(shè)計(jì)了空間機(jī)器人抓捕目標(biāo)的地面驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)方案，開展了動(dòng)力學(xué)特性及控制算法的地面驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。利用基于氣浮式微重力平臺(tái)的地面驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了空間機(jī)器人抓捕目標(biāo)的地面驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)方案；對(duì)空間機(jī)器人在自由漂浮模式下的動(dòng)力學(xué)耦合特性分析結(jié)果和該模式下基座無擾動(dòng)控制算法開展了地面驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了論文理論模型與仿真計(jì)算的正確性。研究了空間機(jī)器人飛越式逼近運(yùn)動(dòng)中同步抓捕目標(biāo)過程的動(dòng)力學(xué)、規(guī)劃與控制問題，系統(tǒng)地提出了針對(duì)一