自由漂浮空间机器人轨迹规划

论文摘要

随着航天技术的发展,空间机器人在未来的空间活动中将发挥更加重要的作用。由载体航天器及其搭载的机械臂组成的空间机器人可以代替宇航员执行在轨服务作业。自由漂浮空间机器人可以节省载体姿态控制燃料,延长在轨寿命,因而具有广阔的应用前景。本文针对自由漂浮空间机器人的数学建模及轨迹规划等问题展开了细致的研究。基于多刚体动力学中增广体矢量的概念,通过对系统运动的几何关系、动量及动量矩守恒方程的分析,推导了自由漂浮空间机器人的运动学方程,然后利用系统的动能表达式和拉格朗日方程建立了动力学方程。这些研究为后续的轨迹规划研究奠定了理论基础。针对自由漂浮空间机器人的轨迹规划问题,通过对系统非完整特性的分析,提出了一种基于多项式插值和粒子群优化算法的自由漂浮空间机器人轨迹最优控制方案。利用本算法可以实现仅通过机械臂的运动同时使载体姿态和机械臂末端执行器的位置达到期望状态。机械臂的运动由关节角处的伺服电机驱动,需要消耗系统的电能。为了节省系统电能,本文从关节角控制力矩优化的角度提出了自由漂浮空间机器人力矩最优轨迹规划算法。仿真结果表明在完成空间机器人姿态调整的同时,关节角输出控制力矩得到了优化,节省了系统电能的消耗。最后,针对载体航天器受到的姿态扰动问题,通过对系统运动学方程的分析,提出了自由漂浮空间机器人载体姿态扰动最优轨迹规划算法。数值仿真表明,在完成空间机器人位姿调整任务的同时,载体航天器所受的姿态扰动降至最低,保证了系统的稳定运行。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 国内外空间机器人系统研究现状
• 1.2.1 国外空间机器人项目进展情况
• 1.2.2 国内空间机器人项目进展情况
• 1.3 空间机器人轨迹规划方法综述
• 1.4 本文的研究工作及内容安排
• 1.4.1 本文的研究工作
• 1.4.2 本文的内容安排
• 第二章 自由漂浮空间机器人运动学及动力学方程
• 2.1 引言
• 2.2 空间机器人系统结构及变量定义
• 2.2.1 坐标定义及变量说明
• 2.2.2 空间机器人的位姿描述方法
• 2.3 自由漂浮空间机器人运动学方程
• 2.3.1 增广体动力学
• 2.3.2 机械臂末端执行器角速度
• 2.3.3 机械臂末端执行器线速度
• 2.3.4 空间机器人系统雅可比矩阵
• 2.4 自由漂浮空间机器人动力学方程
• 2.5 单臂二连杆平面机器人数学模型
• 2.5.1 单臂二连杆平面机器人运动学方程
• 2.5.2 单臂二连杆平面机器人动力学方程
• 2.6 自由漂浮空间机器人工作空间分析
• 2.7 本章小结
• 第三章 基于多项式插值的自由漂浮空间机器人轨迹规划粒子群优化算法
• 3.1 引言
• 3.2 自由漂浮空间机器人系统结构
• 3.3 自由漂浮空间机器人的轨迹规划
• 3.3.1 自由漂浮空间机器人非完整运动规化
• 3.3.2 机械臂关节角参数化
• 3.4 基于粒子群优化算法的自由漂浮空间机器人轨迹规划
• 3.4.1 粒子群优化算法的基本原理
• 3.4.2 基于PSO算法的自由漂浮空间机器人轨迹规划
• 3.4.3 同遗传算法的比较
• 3.5 自由漂浮空间机器人非完整运动规划仿真
• 3.5.1 仿真参数
• 3.5.2 仿真结果
• 3.6 本章小结
• 第四章 自由漂浮空间机器人控制力矩最优轨迹规划算法
• 4.1 引言
• 4.2 自由漂浮空间机器人系统动力学
• 4.3 自由漂浮空间机器人控制力矩最优轨迹规划
• 4.4 仿真实例
• 4.4.1 仿真参数
• 4.4.2 仿真结果
• 4.4.3 优化算法对比分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 自由漂浮空间机器人载体姿态扰动最优轨迹规划
• 5.1 引言
• 5.2 空间机器人系统运动学模型
• 5.2.1 系统模型及变量定义
• 5.2.2 自由漂浮空间机器人系统运动学方程
• 5.3 自由漂浮空间机器人载体姿态扰动最优轨迹规划
• 5.3.1 机械臂关节角轨迹参数化
• 5.3.2 载体姿态扰动最优轨迹规划控制
• 5.4 基于PSO算法的自由漂浮空间机器人载体姿态扰动最优轨迹规划
• 5.5 仿真实例
• 5.5.1 仿真参数
• 5.5.2 仿真结果
• 5.6 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 作者简介