在軌服務(wù)空間機(jī)械臂運(yùn)動及任務(wù)規(guī)劃方法研究.pdf

1、機(jī)械臂在空間在軌服務(wù)過程中起著非常重要的作用，系統(tǒng)地應(yīng)用空間機(jī)械臂能提高宇航員的工作效率并能有效地節(jié)省費(fèi)用，而自由漂浮空間機(jī)械臂由于其耗能低，壽命長，近些年來逐漸成為空間在軌服務(wù)研究的重點(diǎn)。
　　本文以兩項(xiàng)國家863科研項(xiàng)目為依托，主要研究空間機(jī)械臂的運(yùn)動學(xué)建模問題、空間機(jī)械臂的運(yùn)動規(guī)劃、基于在軌服務(wù)的多目標(biāo)任務(wù)規(guī)劃、避障規(guī)劃以及空間機(jī)械臂綜合任務(wù)規(guī)劃，并應(yīng)用Orbiter系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。
　　本文的主要內(nèi)容為:
　

2、　(1)調(diào)研了國內(nèi)外空間機(jī)械臂的發(fā)展情況，介紹了空間在軌服務(wù)的任務(wù)體系及典型任務(wù)，最詳細(xì)闡述了近年來國內(nèi)外的空間機(jī)械臂理論研究的重點(diǎn)難點(diǎn)問題。
　　(2)基于四點(diǎn)假設(shè)，建立了空間機(jī)械臂的坐標(biāo)系統(tǒng)。對廣義雅克比矩陣及虛擬機(jī)械臂的建模方法進(jìn)行分析，針對目前建模方法的計算量大、系統(tǒng)模型不直觀的問題，提出了基于互相映射的坐標(biāo)系方法。
　　(3)進(jìn)行了自由漂浮空間機(jī)械臂運(yùn)動規(guī)劃研究，分別包括:關(guān)節(jié)空間點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動規(guī)劃、笛卡爾空間點(diǎn)到點(diǎn)的

3、路徑規(guī)劃和笛卡爾空間連續(xù)性路徑規(guī)劃。
　　(4)根據(jù)當(dāng)前空間機(jī)械臂的任務(wù)追蹤過程以及在軌服務(wù)任務(wù)的復(fù)雜情況，建立了空間機(jī)械臂多目標(biāo)在軌任務(wù)模型。結(jié)合鄰域搜索算法利用非線性分段優(yōu)化算法解決空間機(jī)械臂的多目標(biāo)任務(wù)的問題。
　　(5)建立了不同種類障礙物的包圍盒及碰撞檢測算法，使用位姿空間分段搜索的方法解決了機(jī)械臂與服務(wù)星和目標(biāo)星的碰撞問題，提出了基于遺傳算法的全局性避障及任務(wù)規(guī)劃方法。
　　(6)應(yīng)用Orbiter系統(tǒng)對空

4、間機(jī)械臂的整體任務(wù)規(guī)劃進(jìn)行了仿真和驗(yàn)證，并模擬了在軌服務(wù)觀測的攝像頭視角，更直觀地仿真了空間機(jī)械臂系統(tǒng)的在軌服務(wù)任務(wù)。
　　本文的主要創(chuàng)新工作如下:
　　(1)提出了建立互映射空間坐標(biāo)系的方法，改進(jìn)了廣義雅可比矩陣的建模方法，使得模型更直觀，有效地降低了廣義雅克比矩陣方法計算復(fù)雜度。
　　(2)在基于笛卡爾空間的點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動規(guī)劃方法中，利用基于六次多項(xiàng)式樣條函數(shù)的雙參數(shù)法規(guī)劃關(guān)節(jié)的角速度變化曲線，結(jié)合牛頓法和割線法對關(guān)節(jié)

5、參數(shù)迭代，提高了迭代效率，得到的空間機(jī)械臂運(yùn)動軌跡滿足任務(wù)要求。
　　(3)在空間機(jī)械臂的連續(xù)性路徑規(guī)劃方面，為避免連續(xù)性路徑過程中動力學(xué)奇異問題，基于分段進(jìn)化算法，將連續(xù)性路徑規(guī)劃轉(zhuǎn)化為點(diǎn)到點(diǎn)路徑規(guī)劃，解決了連續(xù)性路徑規(guī)劃不連續(xù)可微和動力學(xué)奇異點(diǎn)的問題，增加了機(jī)械臂規(guī)劃軌跡的靈活性。
　　(4)提出了遺傳進(jìn)化算法與包圍盒碰撞檢測算法、分段算法相結(jié)合的方法解決空間機(jī)械臂的避障規(guī)劃與任務(wù)規(guī)劃，可解決避障規(guī)劃中所產(chǎn)生的對基座擾動