配置柔顺机构空间机器人双臂捕获卫星操作力学模拟及基于神经网络的全阶滑模避撞柔顺控制

讨论了空间机器人双臂捕获卫星操作过程避免关节冲击破坏的避撞柔顺控制问题.为此在关节电机与机械臂之间设计了一种旋转型串联弹性执行器(rotatory series elastic actuator, RSEA)--柔顺机构,其作用在于:(1)通过其内置弹簧的拉伸或压缩变形来吸收捕获操作过程中被捕获卫星对空间机器人关节产生的冲击能量;(2)可以利用合理设计的与之配合的避撞柔顺控制策略来保证关节冲击力矩受限在安全范围.首先,利用第二类Lagrange方程分别建立了捕获操作前含柔顺机构双臂空间机器人的开环分系统动力学模型与目标卫星的分系统动力学模型;之后,基于系统动量守恒关系、闭链系统位置与速度几何约束关系,获得了捕获操作后空间机器人与被捕获卫星闭链混合体系统综合动力学方程;最后,基于RBF神经网络提出了一种捕获操作后两者混合体系统镇定运动的全阶终端滑模避撞柔顺控制方案.所提方案结合柔顺机构在有效吸收、缓冲被捕获卫星冲击能量的同时,还在冲击能量过大时适时开、关空间机器人关节驱动器,以避免关节驱动器过载、破坏;此外,还通过最小权值范数法分配了机械臂各关节力矩,以保证双臂协调操作. Lyapunov稳定性理论证明了系统的全局稳定性,系统计算机数值仿真也验证了上述避撞柔顺控制策略的有效性.

柔性空间机械臂捕获卫星碰撞动力学分析、镇定运动神经网络控制及抑振

讨论漂浮基柔性空间机械臂在轨捕获卫星过程的接触、碰撞动力学建模和碰撞后混合体系统镇定运动控制及柔性振动主动抑制问题。在机械臂末端手爪与被捕获卫星接触、碰撞前,结合假设模态法和拉格朗日法建立空间机械臂系统动力学模型。在接触、碰撞持续过程,考虑空间机械臂与卫星间的运动几何关系、力传递关系,并基于动量守恒关系,分析接触、碰撞对空间机械臂系统刚性运动和柔性振动状态的影响效应。在接触、碰撞后,根据空间机械臂与目标卫星的相互作用内力关系,建立两者混合体系统的综合动力学模型,并针对上述接触、碰撞的影响效应,基于奇异摄动理论将混合体系统综合动力学模型分解为快、慢变子系统,其中,快变子系统表征系统柔性振动,慢变子系统表征系统刚性运动,并对慢变子系统设计镇定运动的径向基函数(Radial basis function,RBF)神经网络控制算法,而对快变子系统设计振动主动抑制的线性二次最优控制算法。数值仿真证实上述控制算法的有效性。

一种空间机器人双臂捕获卫星减撞柔顺控制方法

为避免空间机器人双臂捕获卫星过程关节遭受冲击破坏,提出在机械臂与关节电机间加入一种缓冲装置,其通过内置弹簧来吸收捕获碰撞过程卫星对空间机器人关节的冲击能量,并结合减撞柔顺控制策略来保证捕获后的镇定过程关节冲击力矩在安全范围内。利用拉格朗日方法得到了捕获操作前含缓冲装置双臂空间机器人系统及卫星系统的动力学模型;之后,基于冲量定理、系统运动关系及牛顿第三定律,得到了捕获操作后双臂空间机器人与卫星混合体系统综合动力学方程;最后,针对捕获操作后受碰撞影响失稳的混合体系统,提出了基于速度重构、不确定估计的减撞柔顺控制方案。所提出的方案将速度重构、不确定估计与控制器结合,优化了控制器对系统不确定非常敏感及速度测量不准确的问题。仿真结果表明,含缓冲装置空间机器人不仅能在捕获碰撞过程减小至少50.2%的关节冲击力矩,还能在镇定过程冲击能量过大时刻应时开、关关节电机,实现对关节的保护。

柔性空间机械臂捕获卫星过程的碰撞动力学、镇定控制和柔性振动线性二次最优抑制

研究空间机械臂系统捕获卫星过程的碰撞动力学及受碰撞后不稳定系统的控制问题.利用第二类拉格朗日方程推导得到空间机械臂系统的动力学模型.在空间机械臂捕获卫星而受碰撞冲击过程中,利用动量冲量法评估碰撞冲击对空间机械臂系统运动状态变化的影响效应.为使受碰撞冲击后不稳定的空间机械臂与被捕获卫星组合体系统恢复稳定,设计了线性反馈和线性二次最优复合控制算法对受碰撞冲击后空间机械臂系统进行镇定控制和柔性杆振动抑制,所提出的控制算法无需控制漂浮基的位置,从而可以节省漂浮基位置控制推进器燃料消耗.通过数值算例模拟了碰撞冲击对空间机械臂系统运动状态的影响效应并验证上述控制算法的效果.

空间机器人捕获卫星操作基于柔顺装置的无源模糊避撞柔顺控制

讨论了漂浮基空间机器人在轨捕获非合作卫星过程避免关节受冲击及过载破坏的避撞柔顺控制问题。在关节电机与机械臂之间配置了一种柔顺装置——旋转型串联弹性执行器(RSEA),其作用一是在捕获阶段,通过其内置弹簧的变形来缓冲捕获过程中被捕获卫星对空间机器人关节产生的冲击能量;二是在捕获完成后的镇定运动阶段,结合所设计的避撞柔顺策略来适时开关关节电机以保证关节冲击力矩受限在安全范围。首先,根据拉格朗日法及牛顿-欧拉法分别建立了含柔顺装置空间机器人与目标卫星系统的动力学方程;之后,结合整个系统动量守恒关系、系统运动几何及位置约束关系,建立了捕获操作后两者形成混合体系统的动力学方程。在此基础上,针对捕获操作后不稳定的混合体系统,提出了一种基于无源性理论的避撞柔顺模糊控制方案以实现其镇定控制。最后,通过仿真实验验证了所提避撞柔顺策略的有效性。

空间机械臂捕获卫星过程的碰撞动力学模拟及镇定运动的鲁棒控制

讨论了漂浮基空间机械臂捕获未知运动目标卫星的接触碰撞动力学建模和接触碰撞后系统镇定运动的控制问题。利用第二类拉格朗日方法和牛顿-欧拉法分别建立了接触碰撞前漂浮基空间机械臂和目标卫星两分体系统的动力学模型;以此为基础借助于空间机械臂与目标卫星接触点间的运动几何关系、力传递关系,计算了接触碰撞所产生的影响效应;捕获卫星后,联立空间机械臂与卫星接触碰撞前的动力学模型,建立了接触碰撞后两系统组合体动力学模型;并设计了增广鲁棒控制算法,以对受碰撞冲击后处于不稳定的组合体系统进行镇定运动控制。上述控制方法能应用于空间机械臂载体位置不受控情况,并能使组合体系统控制方程关于卫星不确定参数呈线性化关系。最后,利用数值仿真模拟捕获过程系统运动状态,验证了上述鲁棒控制镇定运动的效果。

漂浮基空间机器人捕获卫星过程动力学模拟及捕获后混合体运动的RBF神经网络控制

讨论了漂浮基空间机器人在轨捕获目标卫星过程的碰撞动力学建模,以及捕获操作结束后空间机器人与卫星混合体的稳定控制问题。首先采用多刚体动力学建模方法并结合空间机器人捕获目标卫星过程中的碰撞动力学特性,建立了漂浮基空间机器人在轨捕获漂浮卫星过程的动力学模型,并在此基础上计算出完成捕获操作后空间机器人与目标卫星混合体关节的运动速度。然后针对卫星及空间机器人系统惯性参数均是未知的复杂情况,应用上述模型、神经网络控制理论和Lyapunov稳定性理论,设计了空间机器人与卫星混合体在捕获过程碰撞冲击影响下稳定运动的高斯径向基函数神经网络控制方案,以达到对捕获卫星的有效控制。此外,高斯径向基函数神经网络控制方案具有不需要测量和反馈载体位置、移动速度与加速度的显著优点。系统数值仿真证实了上述控制方案的有效性。

漂浮基空间机械臂捕获卫星过程的碰撞冲击效应评估与镇定运动的RBF神经网络控制

分析了漂浮基空间机械臂在捕获自由飞行目标卫星过程中受到的碰撞冲击效应及碰撞后系统镇定运动的控制问题.首先,基于空间机械臂系统的运动学方程建立了系统的动力学模型.而后,基于动量、动量矩守恒原理,且考虑机械臂与卫星接触点之间的运动关系和力传递关系,计算评估捕获过程中运动目标卫星对空间机械臂的碰撞冲击影响效应.最后,针对受碰撞后不稳定的空间机械臂系统,设计镇定运动的RBF(径向基函数)神经网络控制算法,该算法无需控制载体的位置,并且能克服卫星参数不确定的影响.数值仿真揭示了捕获过程的碰撞冲击影响效应及上述镇定运动控制算法的有效性.

空间机器人双臂捕获卫星操作的事件采样输出反馈神经网络避撞柔顺控制

讨论漂浮基空间机器人双臂捕获非合作卫星过程避免关节冲击破坏的避撞柔顺控制问题,提出在机械臂与关节电机之间加入一种旋转型串联弹性执行器(rotatory series elastic actuator, RSEA)作为柔顺缓冲机构,其作用在于:1)捕获碰撞过程,通过其内置弹簧的拉伸或压缩吸收捕获操作过程中被捕获卫星对空间机器人关节产生的冲击能量;2)捕获完成后的镇定过程,利用设计与之配合的避撞柔顺控制策略保证关节冲击力矩限制在安全范围.利用第二类拉格朗日方程推导得到捕获操作前含柔顺机构双臂空间机器人系统及目标卫星的各分体系统动力学模型;基于系统动量守恒关系、系统运动几何关系及牛顿第三定律,得到捕获操作后双臂空间机器人与被捕获卫星混合体系统综合动力学方程;针对捕获操作后受碰撞影响而产生不稳定运动的混合体系统,提出一种基于事件采样输出反馈的RBF神经网络避撞柔顺控制方案.上述方案与柔顺机构相结合不仅能有效吸收被捕获卫星的冲击能量,还能在冲击能量过大时应时开、关双臂空间机器人关节电机,以防止关节电机发生过载和破坏.通过李雅普诺夫稳定性理论证明系统的全局稳定性,并通过仿真结果验证所提避撞柔顺控制方案的有效性.

视觉测量误差对空间机械臂捕获目标卫星控制精度的影响分析

空间机械臂通过视觉伺服测量其末端与目标卫星之间的相对位置和姿态信息,以此规划和控制关节运动轨迹,完成捕获操作。文章分析了视觉测量误差对空间机械臂捕获目标卫星控制精度的影响。首先,建立视觉伺服系统的测量误差模型。然后,根据目标卫星捕获控制算法推导了测量误差到单步和最终控制误差的传递模型。最后,通过工程算例仿真,计算分析了不同测量误差对应的相对位置、姿态、线速度和角速度的控制精度,给出了指定控制精度所允许的最大测量误差范围。文章研究结果可为空间机械臂的测量和控制精度指标设计提供参考。

卫星捕获与大气补偿技术

本文详细介绍了人造卫星轨道状态及用地基望远镜的捕获方法,讨论了自适应光学技术对大气扰动的补偿作用。

捕获目标卫星后组合体航天器模糊神经网络滑模控制

探讨了漂浮基空间机械臂系统在轨捕获参数未知目标卫星后组合体航天器的镇定控制问题.首先在耦合空间机械臂系统捕获目标卫星操作过程动量、冲量的传递的基础上,建立了适用于漂浮基空间机械臂系统在轨捕获漂浮卫星控制系统设计的组合体航天器数学模型.利用该模型,设计了一种基于模糊高斯基神经网络的非奇异Terminal滑模控制算法.提出的控制算法不仅不要求系统动力学方程关于惯性参数呈线性函数关系,而且也不需要预知系统惯性参数;由于利用神经网络的自学习能力修正模糊控制的控制规则和隶属函数,这样在系统参数识别中,模糊神经网络可减少模糊规则数,更适应于空间机械臂系统在轨捕获的实际应用.最后通过仿真试验对比结果验证了所提出的控制算法的有效性.

柔性空间机械臂捕获卫星过程的鲁棒镇定与自适应抑振复合控制

分析漂浮基柔性空间机械臂捕获运动卫星过程的碰撞动力学,及受碰撞冲击后的不稳定空间机械臂系统的控制.首先,利用假设模态法近似描述柔性杆的弹性变形,并结合第二类拉格朗日方程建立柔性空间机械臂多体系统动力学模型.而后,基于动量守恒原理,利用动量冲量法分析空间机械臂捕获卫星的碰撞动力学.针对受碰撞冲击后不稳定运动空间机械臂,设计鲁棒镇定与自适应抑振复合控制以维持空间机械臂与被捕获卫星组合体系统稳定.最后,数值仿真揭示了碰撞冲击影响效应,并验证了上述控制算法的有效性.

卫星对接捕获的地面微重力验证系统

以航天器(卫星等)在轨服务的对接捕获操作为研究背景,介绍了两卫星对接捕获系统及其对接捕获的接触动力学特性。基于硬件在环仿真原理,采用两地面工业机器人建立了两卫星对接捕获操作的地面微重力验证系统,模拟了在太空微重力环境下两卫星对接捕获操作过程中的接触碰撞的情况。利用该地面微重力验证系统,通过专门针对卫星火箭发动机喷嘴的对接捕获机构实现了两卫星对接捕获操作。实验结果验证了在空间微重力环境下,基于硬件在环仿真原理建立的地面验证系统对卫星对接捕获验证实验的有效性。

高动态条件下SINS信息在GPS软件接收机信号捕获中的应用

目前卫星信号捕获主要采用自主搜索算法,在高动态环境下,由于信号存在较大的多普勒频移,且变化较为剧烈,导致自主搜索算法搜索范围变大、时间延长,通常不能满足高动态条件下的应用要求。本文在SINS/GPS松组合框架下,基于软件接收机的灵活性,利用SINS信息,使用FFT方法(并行码相位搜索算法)实现GPS信号的捕获,得到一种外部信息辅助搜索算法。仿真实验证明该搜索算法可快速有效地实现高动态GPS信号的捕获。该算法同样适用于GLONASS及我国的北斗卫星导航系统。

风云二号卫星的跟踪方法建模与实践

风云二号卫星在空间定位后,需计算出北京气象卫星地面站天线对卫星的方位、俯仰和极化角度。本文描述卫星与地面站的相对位置关系计算跟踪角度的原理,为了快速准确地找到卫星,可以利用天线运行角度规律仿真,建立天线跟踪模型,并把理论模型应用于卫星跟踪实践,应用螺旋扫描跟踪方法在工程实践中成功快速捕获风云二号新卫星。

北斗导航信号捕获系统的硬件设计与实现

北斗卫星导航系统是我国自主研制的全球卫星导航系统,是继美国的GPS以及俄罗斯的GLONASS之后的第三个成熟的卫星导航系统。北斗卫星导航系统的卫星信号采用了二次编码技术,限制了相干积分的时间,给北斗导航信号的捕获带来了挑战,因此本文提出了基于4ms的遍历并行码相位搜索的卫星捕获算法,用来解决这个问题,提高卫星捕获的灵敏度,提高卫星捕获的性能。

空间操作中的灵巧飞行控制方法

空间操作中的灵巧飞行控制是指通过模仿生物的决策与运动方式,采用多种执行机构相互配合协调控制完成空间操作任务,在任务过程中能够进行实时决策且各项性能指标均能达到最优。文章引入灵巧控制的思想,提出了一种灵巧飞行控制方法。按照生物运动协调的方式,采用冗余执行机构各取所长协同配合,利用计算智能结合人类智慧完成对失效卫星的接近轨迹规划,实现抓捕过程中可达性、精准性、敏捷性、平顺性与鲁棒性的全优。采用神经网络完成对轨迹规划结果的学习,将规划和控制合二为一。对失效卫星的跟瞄、接近和捕获过程仿真表明:采用传统规划与控制方法的服务卫星无法在失效卫星状态突变时完成抓捕,而采用灵巧飞行控制方法的服务卫星,在失效卫星翻滚状态发生突变时能进行快速决策,成功对失效卫星进行捕获,且接近抓捕过程的性能指标比失效卫星翻滚状态未突变时几乎没有损失,从而验证了灵巧飞行控制方法的可行性和有效性。

基于导频辅助的高动态信号捕获技术研究

针对卫星-高动态终端相对移动过程中速度和加速度高,造成多普勒频移跨度大、变化率高的问题,提出了一种导频辅助的高动态突发信号捕获技术;对卫星-终端通信链路的信道特性进行了研究,该技术采取基于FFT算法、频偏预补偿的对抗措施,构建了链路发送端和接收端的多普勒频移补偿信道模型;并设计了多帧头同步、导频辅助的新型架构,有效降低了低信噪比下帧传输的错误率;仿真结果表明:该算法达到1×10-5误码率指标时接收灵敏度提高了3 dB左右,满足高动态终端接入卫星移动通信系统的需求。

基于强化学习的空间机器人柔性捕获控制研究

针对空间机器人双臂捕获卫星过程中的关节易受冲击力矩而破坏的问题,提出一种基于强化学习的柔性控制方法.首先,针对捕获前双臂空间机器人及卫星系统,分别利用拉格朗日方法及牛顿-欧拉法推导得其动力学模型;然后结合冲量定理、位置约束关系及牛顿第三定律,建立捕获后空间机器人与卫星形成混合体系统的动力学模型.针对失稳的混合体系统,提出一种缓冲柔顺强化学习控制方案,该方案通过系统与环境的动态交互来实时优化控制策略以实现镇定过程的最优控制.仿真结果表明:所提控制方案最大可减少54.2%的冲击力矩,并在镇定阶段确保关节冲击力矩限制在安全范围内,从而保护关节免受冲击力矩的破坏.