空间绳系机器人目标抓捕鲁棒自适应控制器设计

针对空间绳系机器人(Tethered space robot,TSR)目标抓捕过程中的稳定控制问题,建立空间绳系机器人系统模型,根据阻抗控制原理,设计基于位置的阻抗控制方法;针对空间绳系机器人系统的模型不确定性问题,利用神经网络对不确定性进行估计补偿,设计鲁棒项对空间系绳干扰和神经网络估计误差的影响进行抑制,在此基础上设计空间绳系机器人目标抓捕鲁棒自适应稳定控制器,并进行稳定性证明.最后对设计的控制器进行仿真验证.作为对比,对无鲁棒项自适应的稳定控制器进行仿真.仿真结果表明,设计的基于阻抗控制的鲁棒自适应控制可以实现对空间绳系机器人目标抓捕过程中的稳定控制,与无鲁棒项自适应的稳定控制器仿真结果相比,本文采用的鲁棒自适应控制方法可以有效地对不确定性进行补偿,控制过程中超调量更小,收敛时间更短,并且控制精度更高.

空间绳系机器人姿态容错控制方法研究

在精确姿态控制阶段,由于反作用轮的故障,空间绳系机器人会出现姿态控制失稳的问题,为此,提出了一种空间绳系机器人姿态容错控制的新方法。该容错控制方法利用时间延迟控制算法,将前一个周期的控制量引入到当前控制律中,估计并补偿由于反作用轮故障引起的当前控制量变化。在推导该容错控制方法的基础上证明了它的稳定性,从反作用轮无故障和有故障两个方面,对利用时间延迟控制算法与利用PD控制算法的控制律进行了仿真比较。仿真结果表明,利用时间延迟控制方法跟踪目标姿态精度高、鲁棒性强;将时间延迟控制方法用于调整反作用轮故障状态下空间绳系机器人姿态具有较强的稳定性。

视觉导引受限下空间绳系机器人最优逼近控制

针对空间绳系机器人对目标逼近过程中单目视觉视线角约束和导航信息不全问题,首先建立空间绳系机器人系统动力学模型。然后考虑抓捕器视线角约束,采用高斯伪谱法对空间绳系机器人逼近任务姿轨轨迹进行一体规划。同时设计无需相对目标距离的闭环控制器实现对空间绳系机器人最优姿轨轨迹进行跟踪控制。仿真结果表明,该方案能够克服视觉导引受限的影响,实现空间绳系机器人对位姿最优轨迹的精确跟踪。

空间绳系机器人超近距视觉伺服控制方法

针对空间绳系机器人超近距视觉伺服中相对位姿无法测量的问题,在建立机器人视觉系统非线性量测模型的基础上,提出一种基于直线跟踪的混合视觉伺服控制方法,利用帆板支架边缘线图像特征跟踪相对位姿,利用基座具有较大误差的量测信息保证控制系统的稳定性。仿真试验结果表明:在仅能获得帆板支架边缘线图像信息的情况下,设计的超近距逼近控制方法能够保证空间绳系机器人稳定到达目标卫星的帆板支架处,并满足捕获条件。

空间绳系机器人目标逼近姿态协调控制

针对空间绳系机器人对目标逼近过程中的姿态协调控制问题,设计了一种基于可移动系绳点的姿态协调控制机构,利用系绳实现姿态的协调控制。针对该类型空间绳系机器人,进行动力学建模,并对其动力学特性进行了分析。为了克服利用系绳拉力进行姿态协调控制过程中,拉力波动对姿态控制的影响,采用具有较强鲁棒性的滑模变结构方法设计了姿态协调控制器。可移动系绳点的姿态协调控制机构提供空间绳系机器人两个方向的姿态控制力矩,另一个方向的控制力矩通过空间绳系机器人自身提供,从而实现逼近过程中姿态协调控制。仿真结果表明,通过可移动系绳点的姿态协调控制机构,利用系绳拉力可实现空间绳系机器人目标逼近过程中的姿态控制,并且达到节省姿态控制燃料消耗的目的。

辐射开环空间绳系机器人编队自旋转速最优控制

辐射开环空间绳系机器人(tethered space robot,TSR)编队是一种新型的空间绳系编队系统,其在构型稳定性、任务灵活性以及燃料消耗方面具有明显的优势。研究了辐射开环TSR编队自旋转速最优控制问题。首先建立了辐射开环TSR编队的自旋动力学模型;然后对编队自旋转速控制问题以及hp-自适应伪谱法求解最优控制问题的基本原理进行了描述,并设计了基于hp-自适应伪谱法的编队自旋转速闭环最优控制系统;最后通过仿真算例对设计的闭环最优控制系统进行验证和分析。

空间绳系机器人系统动力学建模与仿真研究

针对经典"珠子"模型在计算精度和求解速度方面的不足,提出了一种基于有限单元法的高精度建模与快速求解方法。首先在考虑系绳非线性应力-应变关系的基础上,利用Hamilton原理和C-W方程推导了系统在轨道坐标系下的动力学模型,然后使用三阶的一维单元对系绳进行了离散化处理,并给出了一种利用纽马克-β法进行预估,由Newton-Raphson法进行迭代校正的高效时域求解算法,从而实现了对于系统状态的高精度快速求解。仿真结果表明:与经典的"珠子"模型相比,在分段长度相近的情况下,本文的方法不仅求解精度更高,而且计算速度能够提高至少10倍,另外还能够避免仿真过程中张力出现虚假振荡。

空间绳系机器人在轨捕获视景仿真系统设计

针对空间绳系机器人在轨捕获可视化的问题,把绳系机器人的控制系统引入仿真环境,基于Vega平台开发了路径规划运动方式和实时接收数据运动方式相结合的空间绳系机器人在轨捕获仿真系统;利用Pro/Engineer和Creator建立了场景模型,实现了绳系在空间展开和视觉伺服效果的模拟,并对捕获过程进行了实时仿真;仿真结果表明,该系统能够直观显示控制系统的控制效果,能够成功演示空间绳系机器人对目标卫星的捕获,满足实时性要求。

空间绳系机器人抓捕非合作目标的质量特性参数辨识

针对空间绳系机器人抓捕非合作目标/空间垃圾后需要对其进行回收/拖曳的精确控制问题,提出了一种利用抓捕后保持阶段的振动特性辨识目标参数的方法。首先,根据质量特性参数辨识的需要,推导了系统的动力学模型。不同于以往将本体卫星和被抓捕目标简化为质点的动力学模型,本文针对任意的目标抓捕位置,在考虑重力梯度影响的基础上,利用拉格朗日法获得系统各广义坐标的动力学公式。然后,分析非合作目标和系绳在后抓捕保持阶段的姿态运动。最后,在非合作目标与本体卫星没有任何信息交互的情况下,利用后抓捕阶段目标卫星和系绳特有的振动,并使用具有鲁棒性可遗忘因子的递推最小二乘法,提出了包括转动惯量和质心到任意抓捕点距离在内的质量特性参数辨识算法。

辐射开环空间绳系机器人编队动力学及控制

提出了一种新型辐射开环空间绳系机器人编队系统,其在编队稳定性、任务灵活性及燃料消耗等方面具有明显的优势。针对辐射开环空间绳系机器人编队系统自旋运动过程中的构型误差控制问题,首先建立了编队系统的自旋动力学模型;然后分析了空间绳系机器人的绳系拉力和空间平台的自旋扭矩对编队系统自旋运动中出现的构型误差的控制能力;设计了一种依靠空间绳系机器人绳系拉力和空间平台自旋扭矩作为控制量,对构型误差进行控制的协调控制方法;最后通过数字仿真进行了校验和分析。仿真结果表明:设计的协调控制方法能够明显改善编队系统自旋运动中构型误差的控制效果。

空间绳系机器人单目视觉伺服控制系统

为解决空间绳系机器人近距离交会对接中的目标测量问题,设计了一种单目视觉伺服控制系统。该系统针对小模板在大场景中匹配时存在鲁棒性差、耗时长等缺点,采用了一种新的模板匹配算法。匹配模板借鉴FAST算法的空心圆环结构,使得算法具有旋转不变性,也减小了因背景变化引起的累积误差。同时匹配准则采用灰度值+梯度值的复合算子,具有较强的抗噪声和抑制光照变化的能力。为避免因错误匹配和遮挡等引起的跟踪失败,还设计了动态模板更新策略;最后结合最小二乘综合位置预测方法和PD控制器,实现了对复杂场景中的非合作目标的实时跟踪逼近。

极端地形绳系机器人研究进展

行星表面有探索价值的区域多处于极端地形之中,目前应用于探索该类地形的多为绳系机器人。首先简要评述极端地形绳系机器人的发展现状,依据现有极端地形绳系机器人机构构型的不同,将其划分为4类,分别为腿式、轮式、履带式及复合式,并分析其优劣所在;其次分析绳系机器人关键技术,即系绳管理技术的发展现状。为了避免系绳缠绕,系绳从最初作为基本组件逐步发展为基于系绳的同步定位与建图(tethered simultaneous localization and mapping,TSLAM)问题,同时讨论了现有方法的局限性及未来可能的发展方向。

新型空间绳系机器人逼近动力学建模及控制

为弥补传统空间机器人操作范围小,风险高的缺点,介绍了一种新型空间绳系机器人系统。建立其任务核心的逼近动力学模型,基于反馈线性化技术和神经网络控制技术设计智能逼近控制系统,仿真结果验证了控制系统的有效性,为新型近距离空间操作技术的发展奠定基础。

空间绳系机器人大角度姿态机动控制

空间绳系机器人在非合作目标捕获/操作方面应用前景十分美好。研究绳系机器人优化控制问题,针对系绳干扰和大角度测量误差下的大角度姿态机动控制难题,建立包括运动学/动力学模型、执行机构模型、干扰模型的空间绳系机器人大角度姿态机动模型,并在Lyapunov原理的指导下,基于动态RBF神经网络理论和自适应控制理论设计了四元数反馈控制器,并进行仿真验证。仿真结果表明,机器人姿态机动速度快,稳态精度高,能够满足空间绳系机器人下一步操作的需求,为空间绳系机器人的精确操作提供了依据,为未来在轨服务技术的发展奠定理论基础。

基于四元数方法的绳系机器人姿态控制

为进一步提升空间绳系机器人在轨服务能力,研究了空间绳系机器人抓捕目标后的复合体姿态控制问题.首先,基于四元数原理,描述了空间绳系机器人在抓捕目标后组成的复合体姿态,建立了空间绳系机器人系统的动力学方程;其次,针对带约束的动力学控制方程,结合投影技术和Runge-Kutta方法,构造了一种保四元数范数的显式投影方法;最后,通过数值实验,验证了所提出数值方法的有效性,同时分析了采用系绳和推力器同时控制,采用系绳、推力器相互切换控制,以及单独采用推力器进行控制这3种方式对空间绳系机器人抓捕目标后的复合体姿态的控制效果和能量消耗.

空间绳系机器人释放动力学与控制仿真研究

空间绳系机器人作为一种新型空间飞行器,为近距离目标捕获提供了一种全新的捕获方式。作为关键技术之一的空间绳系机器人释放动力学与控制目前尚未引起广泛关注。通过建立空间绳系机器人释放动力学模型,研究了绳系机器人稳定释放的控制技术。对非线性释放动力学模型全局反馈线性化,设计了绳系机器人释放的主动学习控制器,控制器根据规则在线学习自整定控制器参数,使绳系机器人沿切向稳定快速释放,解决了绳系机器人沿切向释放不稳定的问题。机器人作为一个独立的控制系统,可完成沿任意方向的释放。数字仿真验证了机器人能够满足释放过程中对主动控制律的要求,说明稳定释放控制策略的有效性。

空间绳系机器人抓捕后复合体姿态协调控制

针对空间绳系机器人对目标抓捕后的复合体姿态稳定控制问题进行了研究。首先,对复合体进行动力学建模,并对其动力学特性进行了分析;然后,考虑复合体的特点、空间绳系机器人燃料有限以及自身姿态控制力的限制,分别设计了系绳主动拉力与推力器推力协调控制器和基于滑模变结构的全推力控制器,并设计了其切换条件,利用两种控制器切换对姿态进行稳定控制;最后,利用仿真实验验证了所提方法的正确性。仿真结果表明,系绳拉力和推力器协调控制方法能够实现对姿态的稳定控制,并且有效地节省姿态控制过程中的燃料消耗。

基于速度增量的空间绳系机器人中距离逼近过程最优轨迹规划

针对空间绳系机器人中距离逼近过程最优轨迹规划问题,提出了基于速度增量的多目标逼近轨迹优化方法,优化指标为总速度增量及逼近时间。首先建立逼近过程相对动力学模型及最优逼近轨迹优化模型,然后利用改进型非劣分类遗传算法得到相对逼近距离1.5km内逼近轨迹的Pareto最优解。仿真结果表明,该方法可以揭示空间绳系机器人逼近距离1.5km内逼近时间、燃料消耗、相对目标的面内视界角及速度增量次数之间的相互关系,能满足针对不同任务需求提供相应最优轨迹的要求。

空间绳系机器人抓捕目标过程协同稳定控制

针对空间绳系机器人抓捕无控目标过程中的自身稳定控制问题,提出一种操作机械臂主动阻尼控制与利用空间系绳、反作用轮进行基体姿态稳定控制相结合的协同稳定控制方法.文中首先建立了空间绳系机器人抓捕目标的动力学模型及与目标的接触碰撞模型,分析了抓捕过程中空间绳系机器人及目标的运动状态,在此基础上设计了操作机械臂关节主动阻尼控制律以减小碰撞力对操作机械臂末端的冲击,结合基体姿态的变化设计了滑模姿态稳定控制律,通过空间系绳和反作用轮提供基体所需的滑模姿态控制力矩.在抓捕目标仿真过程中对关节主动阻尼控制方法和所提出的协同稳定控制方法进行比较分析,结果表明,本文提出的抓捕目标协同稳定控制方法能很好地稳定操作机械臂和基体,且空间系绳对基体及目标的扰动影响很小,达到了空间绳系机器人抓捕目标时自身稳定的要求.

空间绳系机器人逼近目标协调控制方法

为了节省空间绳系机器人的末端执行装置在逼近目标卫星过程中推力器所使用的燃料,本文提出一种利用推力器、反作用轮及空间系绳的协调控制方法。首先利用二次型最优控制器(LQR)算法计算出末端执行装置逼近目标所需的理想轨道控制力,然后利用模拟退火算法将所需轨道控制力优化分配到推力器及空间系绳,同时利用时间延迟算法通过反作用轮补偿空间系绳产生的姿态干扰力矩。仿真结果表明,利用该协调控制方法能显著节省末端执行装置上推力器的燃料消耗,有效抑制空间系绳协调控制力产生的姿态干扰,使末端执行装置保持相对稳定的姿态。