面向空間捕獲的機器人路徑規(guī)劃與控制器設計.pdf

1、空間機器人，特別是具有自主性的空間機器人在空間捕獲任務中具有廣泛的應用和很好的優(yōu)越性。為了實現(xiàn)空間機器人在捕獲目標過程中的自主性、運動軌跡規(guī)劃以及穩(wěn)定的軌跡跟蹤控制等任務要求，本文考慮自由漂浮空間機器人系統(tǒng)，給出了運動學方程和動力學方程，重點研究空間機器人系統(tǒng)在捕獲過程中遇到障礙物的情況下如何安全的到達目標位置的路徑規(guī)劃問題，空間機器人運動軌跡規(guī)劃的時間最優(yōu)控制問題以及考慮模型不確定性與外加干擾的軌跡跟蹤控制問題。研究內(nèi)容具體包括以下四

2、個方面。
　　第一，本文首先建立了空間機器人系統(tǒng)的模型，并且給出了空間機器人系統(tǒng)的運動方程；利用拉格朗日方程建立了空間機器人系統(tǒng)的關節(jié)空間的動力學模型，作為后面章節(jié)的研究基礎。
　　第二，針對空間捕獲過程中存在障礙物的情況，本文采用基于人工勢場函數(shù)的方法在關節(jié)空間進行路徑規(guī)劃。首先利用機械臂和障礙物的幾何構(gòu)型特點，采用碰撞檢測的方法，將空間中的障礙物轉(zhuǎn)換到關節(jié)空間，得到關節(jié)空間中的障礙區(qū)域和自由區(qū)域，在關節(jié)空間建立人工勢場，

3、由于人工勢場存在局部極小值的缺點，本文提出了一種力的合成規(guī)則來解決這個問題。最后在關節(jié)空間進行路徑搜索，得到一條沒有和障礙物碰撞的路徑。
　　第三，針對空間捕獲運動軌跡規(guī)劃控制問題，把其轉(zhuǎn)換成具有標準型的最優(yōu)控制問題，本文采用控制參數(shù)化思想、時間尺度變換技術與約束變換技術把上述最優(yōu)控制問題構(gòu)造成為參數(shù)優(yōu)化問題。在優(yōu)化過程中考慮目標泛函與約束條件泛函，并給出泛函對于參數(shù)的顯式梯度公式，然后采用優(yōu)化算法計算出一組近似解，通過增加分段點

4、數(shù)量一直到得到滿意的最優(yōu)解為止。最后，對自由漂浮空間機器人系統(tǒng)進行了仿真與分析。
　　第四，考慮到實際的軌跡運動中存在外界干擾和模型的不確定性等因素的影響，給出了具有擾動情形下的空間機器人系統(tǒng)的動力學模型，提出了一種能夠在有限時間收斂并且具有魯棒性和抗干擾性能的非奇異快速終端滑模面，基于提出的滑模面對空間機械臂軌跡跟蹤問題進行控制器設計。所設計的控制器很好的解決了有擾動情況下的軌跡跟蹤問題，通過仿真分析驗證了該方法的魯棒性和抗干擾