姿态受控漂浮基空间机器人系统协调运动的反演滑模控制

讨论了载体位置无控、姿态受控情况下,具有外部扰动的漂浮基空间机器人载体姿态与机械臂各关节协调运动的反演滑模控制问题.结合系统动量守恒关系及拉格朗日方法,建立了漂浮基空间机器人完全能控形式的系统动力学方程.以此为基础,基于反演设计方法,设计出空间机器人载体姿态与机械臂各关节协调运动的滑模控制方案.数值仿真结果验证了该控制方案的有效性.     

漂浮基空间机器人姿态与末端爪手协调运动的反演滑模控制

讨论了载体位置无控、姿态受控情况下,具有外部扰动的漂浮基空间机器人系统的控制问题.结合系统动量守恒关系及拉格朗日方法,建立了漂浮基空间机器人的运动Jacobi关系及系统动力学方程.以此为基础,借助于反演设计方法,设计出空间机器人载体姿态与机械臂末端爪手协调运动的滑模控制方案.此方案可有效地减少控制系统的在线计算时间,更能满足空间机器人这一时变系统控制的实时、在线要求.数值仿真结果证实了该控制方案的有效性.     

基于行为的多自由度机器人运动规划

提出了一种有效的基于行为的多关节机械手的运动规划。该规划将低级的运动规划和高级的行为决策结合在一起，在将位于机器人工作空间中的障碍物快速映射到姿态空间中的算法基础上，通过传感信息来计算局部障碍物的信息，从而形成姿态空间中障碍物的模型。定义了几种类型的行为来描述机械手的运动，并给出了选择行为的规则。而这些行为都是用基于姿态空间的算法可实现的。该方法适于多关节机器人在非确定环境中实时规划的要求。     

基于自适应动态碰撞检测的工业机器人运动规划算法研究

提出了一种基于PRM(probabilistic roadmaps)算法思想的新型工业机器人运动规划算法.将PRM规划算法由全部C空间计算优化为大部分在欧氏空间、小部分在C空间的计算模式,大幅减少了计算量;使用优化空间分割方法提高采样效率;采用凸优化方法解决了机器人静止姿态碰撞检测问题,并结合自适应动态碰撞检测算法,实现在不降低计算精度的前提下,提高运算速度,使规划结果具有完备性.     

基于四元数的空间全方位算法研究

基于误差四元数的概念,研究了四元数扰动对姿态角和四元数转换精度的影响,提出了姿态角和四元数的全方位转换算法.该算法将姿态角和四元数的转换范围由-90°~90°的传统转换空间拓展到-180°~180°空间,使基于全角度算法的姿态控制比非全角度算法有抗扰动的能力,并通过论证和仿真证明了算法的正确性.     

电磁场与机械载荷共同作用下梁式板的振动特性

在给出薄板的电磁弹性运动基本方程及电磁力表达式的基础上,得到了横向磁场与机械载荷共同作用下薄板的振动方程,应用Galerkin法将薄板的振动方程简化为无扰动和有扰动两种情形。针对无扰动系统是哈密顿系统研究了其运动轨迹,并得到了其运动周期、频率和振幅之间的关系。     

空间机器人路径规划的姿态空间快速计算方法

由于航天机器人工作环境的非确定性，这类机器人运动规划问题的关键是要求规划系统具有实时性，以便与传感信息相结合。基于姿态空间路径规划方法的核心问题是如何将位于机器人工作空间中的障碍物快速映射到姿态空间中。本文利用机器人基本工作面和基本碰撞体的概念来解决快速映射障碍物的问题。研究结果表明，该方法映射障碍物的时间为毫秒级，完全可以满足机器人在非确定环境中实时规划的要求。     

刚柔耦合系统的几何非线性运动稳定性

针对由中心刚体与柔性附件所组成的平面型刚柔耦合系统,不仅研究柔性附件的横向弯曲变形对系统动态特性的影响,同时考虑柔性附件的拉伸变形、截面转角变化与弯曲变形的相互耦合作用,并且以非线性几何关系作为基本出发点,建立了柔性变形、姿态运动之间的非线性耦合动力学模型。基于上述非线性模型,利用能量积分构造Lyapunov函数,分别以中心刚体不转动和中心刚体匀速转动为无扰运动,证明了非线性系统关于姿态角速度、挠性变形位移和应变等扰动变量的稳定性。     

基于小世界算法的机械手时间最优运动规划

针对机械手运动规划通常存在建模复杂、参数多和优化效率低的不足,提出了基于小世界算法的机械手时间最优运动规划。首先运用末端分离法进行机械手工作姿态的简化模型建立;然后结合摆线运动方程,并以工作姿态和关节运动学为约束,建立时间最优的运动规划模型;最后引入基于精英集聚效应的小世界优化算法来提高模型求解精度。仿真测试结果表明,与禁忌遗传算法、基本小世界算法相比,精英集聚效应小世界算法使得机械手规划模型的运动时间和总均方差分别平均降低23.3%和19.7%,且表现出较好的收敛性和稳定性,进而验证了时间最优规划模型的有效性。     

宽带移动卫星通信低成本组合姿态确定算法

针对现有低成本微机械惯性器件无法满足宽带移动卫星通信系统在机动状态下天线指向精度的问题,提出了微机械惯性测量单元与闭环跟踪信息相结合的姿态确定算法.该算法在航向上引入闭环跟踪的指向偏差角,经PI控制器反向校正航向陀螺的漂移误差,并利用跟踪指向信息的低频分量和陀螺的高频分量估计航向角.在横滚和俯仰上,首先以改进欧拉角作为状态向量,根据陀螺角速率信息和加速度计的重力场信息分别建立状态方程和测量方程;然后依据航向角速率和俯仰角偏差对载体运动状态进行判别,并在载体机动下调整方差矩阵以依赖陀螺进行姿态估计,克服机动加速度的扰动.实验结果表明,该算法与自适应卡尔曼滤波器相比,在载体机动状态下精度更高,其航向估计精度在±0.8°,倾角在±0.5°内,满足动中通姿态稳定精度要求.     

双刚体航天器姿态运动规划的样条逼近方法

双刚体航天器系统在无外力矩作用时,其姿态运动可通过连接双刚体航天器的关节铰进行控制,这种关节铰可由球铰或万向节铰构成．本文利用系统相对于总质心的动量矩守恒这一特性研究了双刚体航天器的三维姿态运动控制问题．分别导出带球铰和万向节铰连接的双刚体航天器系统三维姿态运动控制模型,并将系统的姿态运动控制问题转化为无漂移系统的运动规划问题．利用最优控制和样条逼近方法,在控制输入的样条逼近中引入粒子群算法,提出基于样条逼近的最优运动规划数值算法．运动规划的最优控制是光滑的,且初值和终值均为零,通过数值仿真,表明该方法对带球铰和万向节铰连接的双刚体航天器三维姿态运动规划是有效的．     

Algorithm of Attitude Control and Its Simulation of Free-Flying Space Robot

Reaction wheel or reaction thruster is employed to maintain the attitude of the base of space robot fixed in attitude control of free-flying space robot.However, in this method, a large amount of fuel will be consumed, and it will shorten the on-orbit life span of space robot, it also vibrate the system and make the system unsteady.The restricted minimum disturbance map (RMDM) based algorithm of attitude control is presented to keep the attitude of the base fixed during the movement of the manipulator.In this method it is realized by planning motion trajectory of the end-effector of manipulator without using reaction wheel or reaction thruster.In order to verify the feasibility and effectiveness of the algorithm attitude control presented in this paper, computer simulation experiments have been made and the experimental results demonstrate that this algorithm is feasible.     

Motion Planning for Minimizing Base Disturbance of Space Manipulators

A simulated annealing particle swarm optimization(PSO)algorithm is utilized in this paper to plan the motion of space manipulators with minimized base disturbance,not only its attitude but also its position.Since space manipulators must meet the Law of Momentum Conservation,any motion of manipulators will disturb the spacecraft which is free-float in the space environment.This paper tries to limit this effect to the minimum.First,this paper establishes the mathematical model for space manipulators by generalized Jacobian matrix(GJM) and analyzes its inverse kinematics by Theory of Screws.Second,a polynomial function of seventh degree is used to parameterize the joint motion and quaternion representation is also used to represent attitude of spacecraft.Moreover,this paper designs a proper objective function and depicts this algorithm detailedly and clearly.Finally,the results of numerical simulation are verified by the proposed algorithm.     

充液航天器姿态稳定分析的Casimir方法

充液航天器中的液体燃料晃动将可能导致航天器姿态不稳定性现象的发生．本文采用哈密顿动力学方法研究了半充液航天器姿态运动的稳定性问题．首先将晃动液体等效为弹簧质量块力学模型,建立了液体晃动与航天器姿态多体耦合动力学系统的哈密顿方程,并进一步推导了与耦合动力学系统相关的Casimir函数;借助于Casimir函数并采用李亚普诺夫稳定性理论推导出耦合系统的稳定性和非稳定性条件,最后给出了数值仿真结果及相关结论．     

Optimal motion planning of an underactuated spacecraft using wavelet approximate method

An optimal motion planning scheme using wavelet approximation is proposed for an underactuated spacecraft. The motion planning of an underactuated spacecraft can be formulated as an optimal control of a drift-free system. A cost functional is used to incorporate the control energy and the final state errors. The motion planning is to determine control inputs to minimize the cost functional. Using the method of wavelet, one can transform an infinite-dimensional optimal control problem to a finite-dimensional one and use Gauss-Newton algorithm to solve it for a feasible trajectory which satisfies nonholonomic constraints. The proposed scheme has been applied to a rigid spacecraft with two momentum wheels. The numerical simulation results indicate that optimal control with wavelet approximation is an effective approach to steering an underactuated spacecraft system from the initial configuration to the final configuration.     

漂浮基空间机械臂姿态与末端爪手协调运动的模糊变结构滑模控制

讨论了载体姿态受控、位置不受控制情况下,漂浮基空间机械臂载体姿态与末端爪手协调运动的控制问题.结合系统动量守恒关系,分析、建立了空间机械臂系统运动的Jacob i关系及完全能控形式的系统动力学方程.在此基础上,应用变结构滑模控制理论设计了空间机械臂载体姿态与末端爪手惯性空间轨迹协调运动的变结构滑模控制方案;为了克服上述变结构滑模控制器抖振的缺点,附加设计了一个模糊控制器,以根据系统的控制输出来动态调节变结构滑模控制器等速趋近率的系数,从而达到既保证系统具有快速响应又能消除原有控制器具有抖振缺点的目的.系统数值仿真运算,证明了上述控制方案的有效性.     

Algorithm of Attitude Control and Its Simulation of Free-Flying Space Robot

Reaction wheel or reaction thruster is employed to maintain the attitude of the base of space robot fixed in attitude control of free-flying space robot.However, in this method, a large amount of fuel will be consumed, and it will shorten the on-orbit life span of space robot, it also vibrate the system and make the system unsteady.The restricted minimum disturbance map (RMDM) based algorithm of attitude control is presented to keep the attitude of the base fixed during the movement of the manipulator.In this method it is realized by planning motion trajectory of the end-effector of manipulator without using reaction wheel or reaction thruster.In order to verify the feasibility and effectiveness of the algorithm attitude control presented in this paper, computer simulation experiments have been made and the experimental results demonstrate that this algorithm is feasible.     

基于四元数的带飞轮航天器的自适应姿态控制

由于各种环境因素的影响，航天器在运行过程中其动力学参数的准确值难以确定．姿态控制系统必须具有自适应性以适应参数的变化．文中针对飞轮控制航天器提出了一种基于四元数的自适应控制方法．与欧拉角比较，姿态运动的四元数表达的主要优点是数值计算过程中不存在奇异位置．这种控制方法在不需提供航天器参数的情况下可保证航天器跟踪期望的姿态变化以实现姿态机动．应用Lyapunov直接方法证明系统的渐近稳定性，并通过航天器姿态机动跟踪的数值仿真证实了这种控制方法的有效性．