空间飞网捕获机器人系统时变惯量姿态动力学研究

空间飞网捕获机器人系统提供了一种新的以柔性飞网为作业方式的在轨捕获模式,其捕获过程当中系统姿态动力学与普通航天器相比有较大的不同,主要表现在飞网抛射及捕获过程中系统质量特性不断发生变化,使得该系统姿态动力学呈现出丰富的特性。详细研究了飞网捕获机器人捕获前后二维轨道平面内的姿态动力学模型,在考虑重力梯度力矩的情况下建立了飞网抛射及捕获过程当中系统的惯量时变姿态动力学模型,并根据不同的初始条件完成了数值仿真。仿真结果说明在飞网抛射及目标捕获过程中系统会发生明显的面内天平动。该文的研究结果为后继飞网捕获过程当中的姿态协调控制及射网路径规划的研究提供了理论支撑。

自由飞行空间机器人遥操作三维预测仿真系统研究

三维预测仿真技术是目前解决大时延遥操作的主要方法,在空间机器人的遥操作中起着至关重要的作用。针对自由飞行空间机器人建立了一套遥操作三维预测仿真系统,并进行了地面演示验证。首先介绍了空间机器人系统及其遥操作分系统组成,以及图形预测仿真原理。然后详细介绍了遥操作分系统预测仿真子系统的开发,该子系统基于面向对象的思想和MVC(Model-View-Controller)模式进行设计,采用Java语言和Java3D图形库进行开发。仿真系统以空间机器人的运动学模型和动力学模型进行驱动,具有快速、准确的图形碰撞检测功能。最后建立了遥操作地面演示验证系统,进行了多次遥操作实验。结果表明了预测仿真子系统的有效性。

基于神经网络的不确定性空间机器人自适应控制方法研究

提出了一种针对自由漂浮状态的空间机器人模型不确定性的神经网络自适应控制方法。通过RBF神经网络逼近模型的非线性函数和不确定性上界,无需预先估计系统的不确定性程度和外部干扰,提出的自适应控制律保证了权值的有界性,解决了神经网络权值的UUB(Unknown Upper Bound)问题,即未知上界有界问题,完成了笛卡尔空间内空间机器人轨迹规划任务。证明了所提出的控制方法的稳定性,仿真结果表明控制方法避免了对空间机器人动力学模型的参数线性化要求降低了计算量,能够满足实际任务中的实时性要求。

自由漂浮空间机器人路径规划研究进展

介绍了空间机器人路径规划的特点,归纳了研究中的关键问题,以及空间机器人非完整路径规划、笛卡尔路径规划及目标捕获自主路径规划等方面的主要研究进展,讨论了各种规划方法的应用背景及优缺点,对空间机器人路径规划的研究前景进行了展望.

空间机器人遥操作系统设计及研制

针对空间机器人的特点设计了多种遥操作控制模式,提出了空间机器人遥操作分层控制结构LATSR(Layered Architecture for Teleoperation of Space Robot),并研制了一套遥操作系统,包括任务规划子系统、主从控制子系统、预测仿真子系统、信息处理子系统和地面验证子系统.最后利用该系统开展了多项遥操作实验,对整个系统及各子系统的功能和性能进行了检验.该系统具有灵活的操作接口,既为一般用户提供了简便的用户界面,也为机器人专家提供了底层控制能力.

串联旋转关节空间机器人的动力学仿真系统

空间机器人由于基座可以自由运动,增加了自由度,其运动学和动力学模型比地面固定基座机器人要复杂得多,而且低轨航天器受重力梯度影响较大。首先推导了空间机器人的运动学方程,并采用拉格朗日方程建立了正动力学模型,然后基于牛顿-欧拉法推导了空间机器人的耦合动力学方程,给出了动力学非线性项的数值计算方法,还推导了空间机器人在轨运动时的重力梯度力矩。最后,针对一类串联旋转关节的空间机器人,采用模块化设计的思想建立了动力学仿真模型,利用所建仿真模型对空间机器人的操作任务进行数值仿真,分析了重力梯度力矩的影响,提出了减小这些影响的建议。

地球静止轨道在轨服务技术研究现状与发展趋势

地球静止轨道(GEO)是人类仅有的一条独特卫星轨道,是极其珍贵的轨道资源。首先分析了GEO环境现状和未来趋势,然后从"GEO轨道保护"和"GEO卫星在轨维护"两方面论述了GEO在轨服务技术的内涵、服务机会和效益,介绍了世界各国GEO在轨服务技术的主要研究进展,归纳了其中的关键技术。最后,对未来的发展趋势进行了展望。

基于立体视觉的航天器相对位姿测量方法与仿真研究

空间目标的相对位姿测量,是进行交会对接、绕飞监测、编队飞行等的前提。提出了基于立体视觉的方法,包括图像滤波、分割、连通区域标记、3D重建、相对位姿计算等步骤。并建立了仿真系统,该系统基于VC环境,将追踪星、目标星的3D几何模型、姿态动力学模型、相对轨道动力学模型、控制器/执行机构的数学模型,以及立体相机的成像与采集模型集成一体,可进行全闭环的仿真。仿真结果验证了算法的有效性。

自由漂浮空间机器人的笛卡尔连续路径规划

对于自由漂浮空间机器人,位置级逆运动学方程不适合于笛卡尔连续路径的规划,而且机械臂的运动会对基座产生扰动.为此提出了基于速度级逆运动学方程的方法,可实现5个目标:1)惯性空间连续位姿跟踪;2)基座姿态无扰动的连续位置跟踪;3)基座姿态无扰动的连续姿态跟踪;4)基座姿态调整的连续位置跟踪;5)基座姿态调整的连续姿态跟踪.采用阻尼最小方差法回避动力学奇异,所规划的路径连续平滑.仿真结果表明了该方法的有效性.

空间3R机器人工作空间分析

由于存在动力学耦合,空间机器人工作空间的分析比地面机器人复杂得多,以往的研究仅针对平面运动的情况,本文探讨了三维工作空间的分析方法。首先根据基座的不同控制策略,推导了基座位姿固定、自由飞行及自由漂浮三种模式的运动学方程,然后分析相应的工作空间。基座位姿固定时,采用几何分析法;基座自由飞行时,借助虚拟机械臂分析其受限工作空间;而对于自由漂浮模式,结合角动量守恒方程,提出了计算路径相关工作空间和路径无关工作空间的数值算法。文中以3R机器人为例进行实际计算,比较了各种工作空间的特点。最后讨论了动力学奇异回避方法,并提出减小其影响的建议。

空间机器人捕获运动目标的协调规划与控制方法

针对目标以任意轨迹运动且其轨迹可能与"有保证工作空间"不相交的问题,提出了空间机器人捕获运动目标的协调规划与控制方法.首先,根据手眼视觉测量数据,预测目标的运动路径,由此确定空间机器人对目标的最优交会姿态及最佳捕获臂型;其次,规划基座姿态及机械臂关节角的轨迹;最后,采用协调控制的方法,实现空间机器人系统对运动目标的最优捕获(以最优交会姿态及最佳捕获臂型对目标进行捕获).仿真结果表明了该方法的有效性.

航天器最终逼近段的相对导航研究与半实物仿真验证

针对两个航天器的最终逼近,对采用光学成像敏感器进行测量的相对导航算法进行了研究。结合航天器相对运动的动力学模型和光学成像敏感器的测量模型,在分析系统噪声和测量噪声的基础上提出一种基于线性卡尔曼滤波的相对导航算法。在滤波器具体设计过程中,对由于星体姿态和安装引起的测量偏差进行了补偿,并在考虑光学测量敏感器测量时延的情况下对相对导航算法进行了改进。最后进行了光学敏感器在回路中的实时仿真,仿真结果验证了相对导航算法的有效性和合理性。

不确定性空间机器人自适应Terminal滑模控制方法

分析了空间机器人本体质量变化和负载情况变化对系统动力学不确定性的影响,并针对空间机器人操作负载变化显著的特点,设计了一种自适应Terminal滑模控制方法。利用RBF神经网络在线学习系统的不确定性上界,系统状态始终保持在滑模面上,并能保证系统控制误差在有限时间内收敛。以两自由度空间机器人为对象,对不同负载情况的运动进行了仿真,结果表明这种滑模控制方法对系统负载变化不敏感,并能保证期望控制精度。

航天器非合作目标相对导航的联邦滤波算法研究

提出了一种适用于空间机器人在轨对非合作目标进行测量的"激光测距仪+可见光测角相机"组合的联邦卡尔曼滤波相对导航算法。分析了激光测距仪和可见光相机进行非合作目标测量时存在的问题,为此设计了一套包括分别基于测角信息和测距信息的子滤波器,以及进行子滤波器数据融合的主滤波器在内的联邦卡尔曼滤波器,并提出了具体的判据来对子滤波器进行"条件重置"。仿真实验数据表明该联邦卡尔曼滤波器能够在部分目标测量设备的输出出现暂时故障情况下输出较为平稳的相对导航数据,并且滤波算法具有较好的容错性。

基于角动量守恒的空间机器人动力学参数辩识

空间机器人由于加工、装配误差以及在轨燃料消耗等因素使其名义公称参数与实际动力学参数相比存在一定的误差。空间机器人路径规划和地面机器人不同,其广义雅克比矩阵包含动力学参数,使计算的轨迹偏离实际要求的路径,引起末端位姿误差。本文根据自由飘浮空间机器人的角动量守恒方程式,对一种两自由度空间机器人的基座以及机械臂的各个关节分别单独做三次多项式轨迹激励,利用基于偏差模型的最小二乘法和遗传算法对动力学参数进行辨识。仿真结果表明,遗传算法的计算稳定性和对动力学参数辩识精度优于最小二乘法。

近圆轨道航天器伴随飞行控制方法研究

对近圆轨道上航天器在轨长期伴随飞行的轨道控制方法进行了研究。比较了采用C-W方程(Clohess-Wiltsire)解析解和轨道根数两种方法描述相对运动的相同点和差异。分析影响航天器长期伴随飞行的各种因素。在总结相对运动规律的情况下设计轨道修正条件,提出两种伴随飞行的轨道控制方法,并分别对两种方法的控制效果进行理论分析。数学仿真结果表明两种控制方法都能实现航天器长期伴随飞行,且第二种方法能够较大程度上节省燃料消耗。

一种基于VxWorks的星载计算机软件故障注入方法研究

给出了一种基于VxWorks的模拟单粒子效应的软件故障注入方法。该方法基于航天领域常用的多任务实时操作系统VxWorks,通过软件注入故障来模拟空间辐射环境引发的星载计算机硬件的单粒子事件。对软件故障注入的流程进行了详细说明,并在硬件开发平台上进行了验证。实验测试结果表明,该方法能够有效地对星载系统可靠性进行评测,并且具有操作简便、对目标系统影响小,不会对目标系统造成损伤等优点。

基于FDDPB方法的卫星姿态控制系统故障诊断

针对卫星姿态控制系统故障诊断问题,将执行机构及输出传感器的阶跃型和缓变型输出偏差统归于一种"参数偏差"型故障,介绍了改进的参数偏差型故障的实时检测与诊断(FDDPB,Fault Detection and Diagnostics of Parameter Bias)算法,说明了此算法在卫星姿态控制系统执行机构和传感器故障诊断中的应用.引入卫星姿态动力学模型和飞轮模型,建立了算法仿真模型,选取执行机构阶跃型和缓变型故障作为故障注入条件,将该算法用于实验验证.仿真结果表明:该算法能够检测出系统发生的故障,且能够准确估计出故障幅值.

航天器质量特性参数的在轨辨识方法

针对高精度姿态和轨道控制要求准确已知航天器质量特性的问题,提出了基于参数解耦的最小二乘法和基于PSO的非线性优化两种方法,以辨识航天器的质量、惯量和质心位置。第一种方法将惯量与质量和质心位置解耦后分别辨识;第二种方法则将参数辨识问题转换为非线性系统的全局优化问题,同时辨识出所有参数。所提出的方法均不需要假设航天器运动足够慢,克服了以往方法将待辨识参数的耦合关系强行分离的缺点,采用辨识后的参数明显提高了航天器姿态及轨道控制性能。仿真结果验证了方法的有效性。

一种新的PUMA类型机器人奇异回避算法

传统的奇异回避方法运算量大,本文提出了一种新的PUMA类型机器人奇异回避方法—奇异分离加阻尼倒数法.首先,分析产生奇异的条件,将导致Jacobian奇异的参数分离出来,然后用阻尼倒数代替其普通倒数,以回避运动学奇异的影响.该方法无需对Jacobian进行SVD分解,也无需估计其最小奇异值,因而运算量小,实时性好,仅牺牲末端部分方向的精度,适合于预定轨迹和实时轨迹的跟踪.仿真和实验结果证明了算法的有效性.