Dual-quaternion-based modeling and control for motion tracking of a tumbling target

This paper investigates the problem of controlling a chasing spacecraft(chaser)to track and rendezvous with an uncontrolled target.Based on the actual situation,the torque-free motion of an axisymmetric prolate rigid body is employed to represent the short-term attitude motion of the tumbling target.By taking advantage of the dual quaternion’s compact and efficient description of the general rigid motion,the coupled and integrated model of the 6-degree-of-freedom(6-DOF)relative motion between the chaser and the tumbling target is derived in the chaser’s body fixed frame after taking full consideration of coordinate transformation.Based on the logarithm of dual quaternion,a sliding mode control(SMC)law based on the exponential reaching law and the continuous relay function is brought forward to address the problem of synchronization control of the 6-DOF relative motion.Simulation results illustrate the effectiveness of the proposed method.

基于对偶四元数的多体系统动力学建模和控制

空间机械臂的在轨作业是当前空间在轨服务中应用最为广泛的技术之一,然而,机械臂在操作过程中漂浮基座与臂体之间的位姿耦合效应极为显著,这给控制系统设计带来了新挑战.针对多刚体系统的位姿一体化建模与控制问题,文章改进了基于对偶四元数的位姿一体化建模和控制方法,使之可以应用于多刚体系统.该方法不仅能够精确描述复杂的力学关系,还能够在统一的数学框架中有效地处理位姿耦合问题,这为后续设计姿轨一体化的控制系统提供了极大的便利.首先,基于铰链模型建立了对偶四元数形式的铰链和臂体之间的速度和加速度递推关系,然后,利用铰链和臂体间力-力矩传递关系建立了递推形式的逆向动力学方程,为了便于控制系统设计与分析,随后推导建立了矩阵形式的位姿一体化的正向动力学方程.然后针对推进器和控制力矩陀螺讨论了具体的执行机构的动力学建模问题,并分别讨论了机械臂和漂浮基座的位姿一体化控制问题.最后,对一个6自由度机械臂和漂浮基座的组合体进行了动力学建模和控制仿真,动力学仿真的结果证明了所提动力学建模方法的正确性,控制仿真表明控制系统能较快地抵消机械臂运动对基座产生的干扰力和干扰力矩,证明了所提控制方法的有效性和可行性.

一种基于UKF的矿井智能体相对导航算法

以对偶四元数为理论基础,引入非线性滤波UKF算法,构建矿井多智体视觉自主相对导航算法DQUKF,并建立适应矿井智能体外形特征及其工作环境的算法状态方程及观测方程,可对矿井智能体的相对位置、姿态进行动态估计及仿真。为验证和评价该算法的有效性,设计地面实物模拟实验场,结果表明,该算法能够提供较为精确的相对位姿信息,结论与仿真结果一致。

输入参数优化的机器人手眼标定改进方法

由于相机位姿误差以及机器人运动解算误差导致标定结果具有较大误差,为了提升机器人定位与抓取的精度,提出了一种具有误差补偿和图像校正的手眼标定方法.基于对偶四元数理论来描述螺旋运动,用奇异值分解法求解手眼变换矩阵.再通过对非线性相机成像模型进行研究后最小化相机的重投影误差,得到优化后的相机外参,同时根据机器人运动学模型对机器人运动误差做补偿.最后搭建机器人单目视觉实验平台,将该方法与对偶四元数法和Tasi两步法进行对比分析,实验结果表明,该方法在XYZ三个方向上的坐标误差均值为0.46,标准差为0.25.在标定精度和稳定性上均优于其他两种方法,具有一定的理论实践意义.

基于对偶四元数法的Stewart平台运动学研究

作为一种多自由度并联机构,Stewart平台在工业自动化、飞行模拟及医疗设备等领域具有广阔应用前景。研究Stewart平台的运动学特性,并提供数学模型和解决方法,可以实现对其运动和位置的准确控制。基于6-UPS型Stewart并联机器人平台,引入了对偶四元数的概念,探讨了Stewart平台的运动学特性,提出了一种高效的并联机器人运动学求解算法。研究结果表明,在描述并联机器人的运动学中,对偶四元数法具有更简洁的表示形式和更少的用来表示刚体位姿的未知数个数,具有明显优势。

航天器位姿运动一体化直接自适应容错控制研究

针对航天器近距离操作过程中追踪航天器位姿控制系统执行器故障问题,提出了一种直接自适应容错控制方法,保证了追踪航天器在发生执行器故障下的自身稳定性和对目标航天器位姿状态的渐近跟踪性能.基于对偶四元数的航天器位姿一体化控制系统模型,首先,假设故障已知,设计标称控制信号;然后,设计自适应更新律对标称控制信号中的未知参数进行估计,构成自适应控制信号;最后,利用多Lyapunov函数对多故障模式下的系统性能进行分析.仿真结果表明了所提方法的有效性.

面向机动飞行的固定翼无人机位姿跟踪控制

机动飞行是无人机系统技术的重要发展方向之一.针对机动飞行位姿一体化控制需要及固定翼无人机平台欠驱动特点,本文提出了一种适用于固定翼无人机机动飞行的位姿同步控制方法.首先,利用对偶四元数紧凑、无奇异性的特点建立固定翼无人机位姿一体化模型.然后,提出虚拟坐标系设计方法,将控制力矩映射到未约束的状态量.通过引入非线性增量式反步法,设计了无人机位姿跟踪控制律,实现了位姿与旋量的稳定跟踪.最后,基于Lyapunov稳定性理论开展了系统稳定性分析,通过数值仿真与半实物仿真验证了本文方法的可行性.

双通道四元数卷积网络去噪方法

基于深度学习的彩色图像去噪方法通常是在各个通道进行卷积操作后再进行合并得到最后的卷积结果。这种方式没有充分考虑色彩通道之间的光谱相关性,可能导致去噪结果的失真。四元数卷积将彩色像素当作一个整体来进行处理,可以很好地解决这一问题。但是单一的四元数卷积网络不能较好地还原图像细节信息。针对这一问题,提出一种用于去除彩色随机脉冲噪声的双通道四元数卷积网络(DQNet)。该网络首先基于结构通道和色彩通道融合的策略,采用基于扩张卷积的结构细节还原模块提取结构和边缘特征,采用四元数卷积网络提取色彩特征;然后针对卷积运算会导致部分全局信息丢失的问题,通过长线连接将含有丰富全局特征的输入噪声图像与卷积结果进行融合,设计基于注意力机制的特征增强模块来指导网络提取复杂背景中的潜在噪声特征;最后利用残差学习实现彩色随机脉冲噪声的复原。实验结果表明,所提算法具有较好的去噪性能,在中度噪声污染或高度噪声污染的情况下去噪效果更为突出。

基于DMPs的双机器人协同搬运轨迹的学习与泛化

针对双机器人协作系统执行具有强协调约束关系的仿人任务时,存在轨迹学习复杂、协调约束分析欠缺的问题,提出了基于动态运动基元(DMPs)的双机器人协同搬运轨迹学习及泛化方法。首先,从双机器人协同搬运任务出发,分析了双机器人协调约束关系,建立了双机器人运动约束模型。然后,将机器人运动轨迹解耦为位置轨迹和姿态轨迹,采用四元数实现姿态轨迹的无奇异描述,分别建立位置轨迹和姿态轨迹的动态运动基元模型,结合双机器人运动约束模型与动态运动基元模型,兼顾各自的任务要求和相对位姿约束,进而获得双机器人的运动轨迹。接着,开展了双机器人协同搬运轨迹的仿真与实验,结果表明:采用双机器人协同搬运轨迹的学习与泛化方法,当改变起、终点状态时,双机器人定姿态协同搬运的起、终点位置误差分别为0.0292mm和0.1127mm,变姿态协同搬运的起、终点位置误差分别为0.0323mm和0.1131mm,终点的四元数姿态偏差为0.0014、0.0027、0.0018、0.0030,表明该协同搬运轨迹的学习与泛化方法具有较高的运动控制精度,即使起、终点任务参数改变,泛化轨迹仍可保证目标的可达性,验证了提出的双机器人协调运动轨迹控制方法的合理性和有效性。该方法可学习人体搬运过程并能够准确泛化出新的运动轨迹,实现了双机器人的协调运动,具有重要的工程应用价值。

ESM检测机器人工作空间分析与优化方法

以六轴机械臂在电子设备电磁兼容检测近场成像(Emission Source Microscopy, ESM)领域中的应用需求作为研究目标,讨论了在给定末端天线姿态条件下机械臂的工作边界的分析与优化方法。在D-H模型的基础上利用蒙特卡洛法分析末端执行器的工作空间,并证明上述空间存在一个不可达球域。为进一步确定该不可达球域的特征与机械臂构件之间的关系,将对偶四元数分析方法引入机械臂逆解分析中。通过DoE方法确定机械臂不同结构参数对不可达球域尺度的影响权重。以上分析方法在Elfin5六轴机械臂上进行了检验,证明可以在给定末端姿态的条件下提供机械臂的扫描可达区域与参数优选方案。

考虑执行器最优分配的空间站舱内机器人位姿耦合控制

针对空间站舱内机器人考虑执行器最优分配的位姿耦合控制问题,研究了基于风扇驱动的最优布局方式与执行器最优分配算法。首先,基于对偶四元数建立舱内机器人与空间站的相对位置与姿态耦合动力学模型。然后,优选出一组具有均衡控制能力的最优布局方案,并建立了相应的执行器模型。在此基础上,设计了考虑执行器最优分配的位姿耦合控制器,并通过Lyapunov稳定性理论给出了系统渐近稳定的数学证明,其中执行器采用罚函数法对实际的物理模型进行力和力矩的分配优化。最后,通过仿真对比发现考虑执行器最优分配位姿耦合控制器可明显降低舱内机器人的控制能耗,验证了该方法的有效性。

基于协方差矩阵自适应进化策略的机器人手眼标定算法

针对视觉传感器标定和机器人运动学求解过程中存在噪声干扰,导致传统的手眼标定算法求解误差较大的问题,提出一种基于协方差矩阵自适应进化策略(CMAES)的机器人手眼标定算法。首先,采用对偶四元数(DQ)对旋转和平移分别建立目标函数和几何约束,简化求解模型;其次,采用惩罚函数法将约束问题转化成无约束优化问题;最后,使用CMAES算法逼近手眼标定旋转和平移方程的全局最优解。搭建机器人、相机实测实验平台,将所提算法与Tsai两步法、非线性优化算法INRIA、DQ算法进行对比。实验结果表明:所提算法在旋转和平移上的求解误差和方差均小于传统算法;与Tsai算法相比,所提算法的旋转精度提升了4.58%,平移精度提升了10.54%。可见在存在噪声干扰的实际手眼标定过程中,所提算法具有更好的求解精度与稳定性。

基于变分迭代的航天器相对姿轨耦合动力学解算方法

针对航天器相对姿轨耦合一体化运动,在定义坐标系下利用对偶四元数和旋量表示航天器的一般运动,推导出航天器六自由度运动学和动力学模型,并分别采用Runge-Kutta四阶算法和变分迭代法的配点形式求解该非线性模型。变分迭代法的配点形式是变分迭代法与配点法的复合,先给出变分迭代法的迭代方程,再把迭代方程应用到局部时间区间上探讨了局部变分迭代法,然后把变分迭代法与配点法结合得到数值迭代方程。利用对偶四元数所建立的模型相对于其他模型较为简洁,便于分析姿轨耦合特性。仿真结果表明,相比Runge-Kutta四阶算法,变分迭代法的解算精度更高。

基于对偶四元数的空间引力波探测器稳定构型优化设计

针对空间引力波探测器的轨道构型稳定性,研究了空间大尺度航天器编队稳定构型设计和优化方法。考虑日地月引力场对编队构型的影响,在日心坐标系下,将地球、月球和3颗航天器视为一个编队进行研究;基于对偶四元数建立自然/人造天体动力学模型,对有/无中心天体的空间引力波探测系统模型进行统一的描述;给出了基于遗传算法的待优化参数,并设计了优化目标函数。仿真结果表明:在不进行轨道控制情况下,1年内探测器满足轨道构型的稳定性要求。

基于点线特征的建筑物点云配准方法

针对建筑物表面具有明显的几何特征这一特点,提出基于点线特征的建筑物点云配准方法。首先基于点云配准基本理论,利用提取的建筑物点特征使用对偶四元数实现建筑物不同测站点云的粗配准,获取初始配准参数以及配准后的建筑物点云数据,然后将粗配准获取的参数作为待求精确参数值的初始值,利用建筑物中的线特征将共线方程作为精配准的数学模型,最后通过平差迭代获取参数的精确值,实现不同测站建筑物点云的高精度配准。实验结果表明,获取的配准后同名特征距离中误差为2.1×10^(-3)m,证明了将点线特征相结合可以有效改善建筑物点云配准质量,提高建筑物点云配准的精度,对建筑物三维重建具有重要意义。

基于对偶四元数描述的扩展平面基元点云拼接方法

针对现有平面基元点云拼接方法在法向量方向不一致场景下失效及拼接模型未能顾及旋转和平移耦合误差的问题,本文提出一种利用对偶四元数表征的扩展平面基元点云拼接的方法。该方法首先利用对偶四元数同步表征旋转矩阵和平移向量;然后引入方向调节因子来表示法向量方向的一致性,将平面基元中平面法向量和原点到平面的距离相等作为点云拼接的相似性测度;最后,依据最小二乘准则,经过两步迭代实现方向调节因子和点云拼接参数的同步求解。实验结果表明,本文方法可以适应法向量异向情形,且能同时顾及旋转与平移耦合误差,达到稍优于四元数点云拼接方法的精度。

空间6R机器人位置反解的对偶四元数法

将对偶四元数的复指数形式引入到串联机械手位置逆解分析中,提出一种空间6R串联机械手位置逆解的新算法。采用复指数形式的四元数以及对偶四元数建立空间6R串联机械手位置逆解的封闭方程。通过对获得的四个位置约束方程构造Dixon结式,得到一个6×6的行列式等于零的矩阵,去掉其中相关的公因式,导出既无增根也无漏根的一元16次方程。通过实际计算,得出该机器人位置反解一元高次方程的次数为16且最多只有16组解的结论。通过一种串联机械手逆运动学分析为例进行求解验证,数字实例证明了该方法既无增根也无漏根。这种方法可达到在消元过程中自动消除机构结构参数变化或者轨迹规划过程中某些奇异位置造成的方程相关性,避免增根的产生。

基于对偶四元数的航天器交会对接位姿视觉测量算法

根据光学测量基本原理建立双目视觉测量模型,提出基于双目视觉的航天器间相对位姿的测量方法。利用对偶四元数,建立目标航天器的坐标系和追踪航天器上的摄像机坐标系之间的关系,构造出航天器交会对接位姿误差模型,通过使用拉格朗日求极值的方法,解算出航天器间的相对位置和姿态。仿真结果表明该算法有效,能够满足航天器交会对接的测控要求。

单目视觉下基于对偶四元数的卫星姿态的确定

在航天器姿态动力学和机器视觉理论基础上,提出一种新的卫星姿态确定的算法。单目相机作为观测设备,用对偶四元数以及几何透视投影法,将从星3D姿态参数转换为2D照片平面参数。最后,将表征坐标变换的对偶四元数中的位移和旋转分量以及运动角速度和线速度作为状态量,2D坐标参数作为观测值,建立滤波器,得到了表示相对运动的对偶四元数的估计值。在30 s内的仿真结果证明了对偶四元数在表示刚体运动变换时的优越性,为从星姿态测量找到一个更有工程应用价值的方法。

基于对偶四元数的航姿系统姿态更新算法研究

以微小型捷联航姿参考系统为研究对象,建立基于对偶四元数的导航系统姿态更新解算参数模型。该方法区别于描述刚体纯旋转变换的四元数方法,将载体系与地理系之间坐标转换的旋转与平移过程进行统一、融合,通过建立最小方差目标方程,求解最优的姿态更新矩阵。构建Kalman滤波方程,最终确定载体姿态,航向角实时信息。仿真表明,对偶四元数所建姿态四元数误差的均值与均方差均小于0.002。Kalman滤波器构造符合实际系统要求,在传感器测量精度有限的情况下,可使俯仰角、横滚角、航向角误差分别减小到0.1°,0.1°,0.2°。