大型空间柔性组合航天器动力学建模与控制

航天器在轨组装制造和在轨服务维护任务中,捕获航天器通过空间机械臂捕获目标航天器后,整个系统构成一个大型空间柔性组合航天器.本文首先建立了综合考虑机械臂关节、臂杆和航天器太阳翼等柔性部件振动影响的组合航天器动力学模型,采用非线性扭簧模型描述柔性关节,采用假设模态法和有限元法描述柔性臂杆和太阳翼,通过动量守恒和拉格朗日方法推导了柔性组合航天器的动力学方程.然后设计了柔性组合航天器轨迹跟踪与振动抑制复合控制系统,采用奇异摄动方法对组合航天器动力学模型进行了降阶分解,在快慢两种不同时间尺度内分别独立设计了控制器.最后通过数值仿真验证了建模和控制方法的有效性.仿真结果表明,本文所建动力学模型精确有效,能够准确反映柔性组合航天器的运动学和动力学特性;复合控制方法能够保证组合航天器在实现机械臂精确轨迹跟踪控制的同时有效抑制柔性部件振动,具有工程实用性.     

气动驱动的移动柔性臂振动控制

针对移动柔性机械臂的振动抑制问题,提出了一种基于有杆气缸驱动的控制方案.该方案采用脉冲码调制方法控制气缸活塞杆的运动,从而抑制柔性臂的振动.文中构建了气动系统回路,推导了气动驱动控制柔性臂的系统模型,并基于控制算法的闭环方程分析了该方法在实现滑块定位的同时实现抑制振动的可行性.最后,建立了基于气动驱动的移动柔性臂实验系...     

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．     

面向非合作目标的柔性捕获器设计与动力学建模

为更好地实现对动态非合作目标的捕获,设计开发了一种多臂式柔性捕获器.这种捕获器的原理类似海葵等生物捕猎的方式,不依赖单个柔性臂的精准夹持而是靠多根臂所构成的臂群实现聚拢、挤压等动作,以完成对目标物体的捕获.基于能量守恒和动量守恒原理对非合作目标物体与柔性臂的碰撞问题进行分析,给出了发生碰撞后柔性臂与目标物体各自的运动参数.为进一步分析柔性臂的动态变形过程,采用多个线性关节和扭转关节的组合对单根柔性臂进行描述,并基于牛顿法对各离散关节进行受力分析,建立了柔性臂的动力学模型.将柔性臂整个变形过程离散为多个微小时间段运动的集合,通过动力学分析得到当前时刻的动力学参量,经过一个微小时间内的运动后即可得到下一时刻各质点的位置,迭代进行上述步骤便得到了柔性臂的动态变形过程.而后,通过实验确定单臂动力学模型的最优参数,并将参数优化后的动力学模型在不同加载情况下与单臂样机进行对比,验证了动力学模型的准确性.最后,在单臂动力学模型的基础上建立包括多根柔性臂的捕获器三维模型,进行非合作目标捕获的仿真与样机实验.结果表明:所设计的臂群式柔性捕获器能够很好地完成动态非合作目标捕获任务,所建立的捕获器三维仿真模...     

自由浮动空间柔性机械臂轨迹跟踪与振动抑制

针对带有效载荷的3连杆全柔性空间机械臂,讨论了对有效载荷运动轨迹跟踪的快速终端滑模控制和连杆柔性振动主动控制问题.基于假设模态法、拉格朗日法和系统动量守恒对柔性连杆进行近似描述,忽略高阶弹性振动模态,推导了一种自由浮动空间柔性机械臂操作刚性有效载荷的动力学模型.在此基础上,采用奇异摄动法将系统模型分解为慢变和快变2个子...     

带滑移铰空间机械臂协调运动的自适应分解运动控制

讨论了载体位置不受控制的漂浮基带滑移铰空间机械臂本体姿态与末端抓手惯性空间轨迹协调运动的逆运动学问题.结合系统动量守恒关系进行的系统运动学分析表明,可以将空间机械臂本体姿态与末端抓手惯性空间轨迹协调运动的增广广义Jacob i矩阵表示为一组适当选择的组合惯性参数的线性函数.以此为基础,设计了系统部分参数未知情况下,由本体姿态期望运动及机械臂末端抓手惯性空间期望运动轨迹产生机械臂关节铰期望角速度、角加速度的自适应控制算法.由于充分利用了空间机械臂系统动量守恒的动力学特性,本文提出的方法具有不需要测量、反馈载体基的位置、移动速度及移动加速度的显著优点.系统数值仿真证实了该方法的有效性.     

基于神经网络及综合电机特性的柔性关节空间机器人全阶滑模控制

研究了载体位置、姿态均不受控的自由漂浮柔性关节空间机器人机械臂轨迹跟踪及关节柔性振动主动抑制问题,利用系统动量、动量矩守恒关系及第二类Lagrange法,并综合考虑关节驱动电机特性,导出了其全系统动力学模型;然后基于奇异摄动理论将该动力学模型分解为描述机械臂刚性运动的慢变子系统及描述关节柔性振动的快变子系统,并结合关节电机输出力矩与电枢电流的关系,将对控制力矩的设计转化为对电流控制的设计。之后,针对关节柔性振动快变子系统,采用速度差值反馈控制方案对其进行了振动主动抑制;针对机械臂刚性运动慢变子系统,则基于RBF神经网络提出了一种全阶滑模控制方案;其中RBF神经网络用于逼近由系统不确定参数带来的未知非线性项,全阶滑模控制方案的引入在于使控制系统在兼备传统滑模控制方案鲁棒性强特点的同时,还能克服抖振问题。最后,系统数值仿真结果说明了所提方案的有效性。     

自由浮动空间柔性冗余度机械臂姿态稳定控制

讨论了自由浮动柔性冗余度空间机械臂的姿态稳定控制问题.采用假设模态法对柔性连杆的变形进行近似描述,忽略高阶弹性振动模态,然后利用拉格朗日法建立空间柔性冗余度机械臂系统的动力学模型.在此模型基础上利用奇异摄动法把系统分解为快慢2个子系统,设计慢变子系统的模糊滑模控制器,以保证轨迹误差的渐近跟踪.对快变子系统则采用最优控制...     

具有边界扰动柔性机械臂的鲁棒自适应边界控制

针对边界未知扰动和系统结构参数均具有不确定性的柔性机械臂系统,为了抑制其振动和提高振动控制效果,通过对柔性臂的结构参数估计,采用自适应和边界控制技术,设计了带有边界扰动观测器的鲁棒自适应边界控制对柔性臂振动进行控制。所设计控制算法能补偿结构参数不确定性和避免了控制溢出,边界扰动观测器能抑制和跟踪边界未知扰动的影响。随后利用Lyapunov综合法对控制系统的稳定性和一致有界性进行了证明。仿真结果进一步验证了该控制算法对抑制柔性臂振动的有效性。     

空间机械臂稳定绳系卫星回收的研究

要讨论“载体－机械臂－变长绳索－子星”链结构多体系统,首先采用Ｒ／Ｗ方法导出载体、机械臂系统动力学方程,针对绳系卫星回收过程中出现的动力学不稳定现象,运用空间机械臂的辅助动作对绳系卫星进行了镇定。提出了的方案可确保动力系统具有渐近稳定性。文中附有回收过程数值模拟结果。     

柔性物料提升机不确定鲁棒控制及振动抑制

以柔性臂式物料提升机为对象,研究了其惯性参数不确定情况下的鲁棒位置控制和柔性振动主动抑制.利用拉格朗日-假设模态法建立其刚柔耦合模型,针对刚柔耦合系统强非线性的特点,基于奇异摄动法,将系统降阶为快、慢双时间尺度子系统,快变子系统表征机械臂柔性振动,采用最优控制主动抑制;慢变子系统表征机械臂刚性运动,考虑到提升机末端负载变化会给系统参数带来不确定性,采用非奇异终端神经滑模控制.计算结果表明:所设计控制器不仅能保证柔性臂式物料提升机位置的精确控制,对末端负载变化有较强的鲁棒性,而且能实现对柔性振动的快速抑制.     

变姿态柔性机械臂横向振动主动控制理论与实验

综合模态控制和极点配置方法来抑制变姿态柔性机械臂的横向振动.建立了工程适用的柔性机械臂回转系统简化动力学模型,通过模态滤波器和状态观测器实现机械臂末端横向加速度到模态速度和模态位移的转换,结合极点配置法获得当前姿态下系统的模态增益系数,可计算得到模态控制力和实际控制力.实现了基于NI控制器和回转液压作动器的主动控制实验系统,开展了变姿态条件下柔性机械臂横向振动主动控制实验,结果验证了上述方法对变姿态条件下柔性机械臂横向振动抑制的有效性.     

谐波传动对柔性机械臂动力学特性的影响

空间机械臂是在轨航天器重要维护工具,其动力学特性的优劣直接关系到航天任务的成败。现有空间机械臂多采用谐波传动作为减速机构,该减速机构对空间机械臂的动力学特性有较大影响。基于Euler-Bernoulli梁模型,结合谐波传动误差模型,建立了考虑臂杆柔性与谐波传动运动滞后的动力学方程,通过数值模拟分析了臂杆刚性、臂杆刚性与谐波滞后、臂杆柔性,以及臂杆柔性与谐波滞后等4种模型对应的空间机械臂动力学特性。仿真结果表明:与刚性空间机械臂相比,臂杆柔性使得输出的角度曲线包含明显高频成分,考虑谐波传动的柔性空间机械臂输出特性存在明显滞后。     

基于粒子群算法的空间机械臂关节驱动力矩优化设计

采用绝对节点坐标方法对空间柔性机械臂臂杆进行动力学建模,采用自然坐标法对机械臂关节进行建模,最终得到刚柔耦合的空间机械臂动力学模型.对冗余自由度机械臂进行逆运动学分析,由规划的末端轨迹得到了含自运动项的关节转角轨迹.利用动力学方程中Lagrange乘子的物理意义,对机械臂系统进行逆动力学分析,推导了关节轴瓦与轴颈在运动过程中受到的关节驱动力/力矩.利用粒子群算法优化机械臂的自运动项,得到了最小化的关节驱动力矩能耗,从而形成了一种冗余空间机械臂关节驱动力矩优化设计新方法.在平面三连杆柔性机械臂进行了数值仿真,仿真结果表明:所提出的方法在实现末端轨迹跟踪的同时,能有效降低关节力矩能耗;得到的关节力矩连续性好,能够满足工程实际需要.      

平面欠驱动两杆柔性机械臂的全局稳定控制

针对平面欠驱动两杆柔性机械臂,该文提出一种新的控制策略,实现了机械臂的全局稳定控制目标。首先,为机械臂系统引入一个同胚坐标变换,将其变换为一个结构简单的新系统;然后,将新系统分离为线性和非线性2个部分,利用等价输入干扰的概念为新系统设计控制器,以实现新系统的全局稳定控制目标,并通过坐标变换的同胚性使原机械臂系统的全局稳定控制问题得以解决。该文所提控制方法仅需利用机械臂的位置量信息设计控制器,这不仅能降低控制系统成本,而且还能有效避免速度噪音对控制性能的影响。数值仿真结果显示,所提的控制策略在机械臂系统的稳定运动过程及稳定时间等性能方面,均能达到令人满意的控制效果。     

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.     

卫星在轨自维护系统的动力学建模与仿真

建立了卫星在轨自维护系统的结构模型.基于动量守恒定律,建立了自维护系统末端操作器速度与卫星本体速度及机械臂各关节速度之间的关系.以操作太阳帆为例,对机械臂的运动与卫星本体姿态变化之间的关系进行了仿真分析.仿真结果表明,机械臂运动速度对卫星姿态不产生影响,而机械臂转动角度决定了卫星姿态.     

空间机械臂直接驱动、挠性的输入成型控制

针对空间环境和空间任务的特殊性,以空间机械臂模拟实验系统为研究对象,利用空间机械臂动力学模型,设计了脉冲输入成型器.它借助输入成型技术的前馈控制方法,有效地消除机械臂完成跟踪运动的余振动,实验证明:该系统的运动状况能够满足控制系统的要求.     

空间机械臂冲击动力学建模及冲击后运动控制

通过对漂浮基空间机械臂冲击动力学的建模,计算出完成抓取操作后空间机械臂各关节的运动速度,从而为数值仿真计算提供初始条件.针对目标物体及空间机械臂系统惯性参数存在未知的情况,设计了冲击后空间机械臂及目标物体组合系统的载体姿态及关节运动滑模神经网络控制,并对平面自由漂浮空间机械臂系统抓取目标物体的操作及冲击后控制进行了数值仿真.仿真结果表明,空间机械臂抓取目标物体时的冲击对系统有重大的影响,所设计的控制方案可保证系统对期望运动的追踪.     

双连杆柔性机械臂的主动控制

对柔性双连杆机械臂位置的主动控制进行研究,给出系统的动力学方程,采用非线性解耦反馈控制方法分别得出系统大范围运动方程和柔性臂的动力学方程,并采用机械臂逆动力学方法和LQR方法分别设计大范围运动控制律和压电作动器控制律.仿真结果表明,该控制方法能够有效地控制机械臂到达的指定位置,并且抑制柔性臂的弹性振动.