本文關(guān)鍵詞：空間機(jī)器人抓捕逼近段位姿耦合協(xié)同控制

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【摘要】：為了保障空間機(jī)器人在復(fù)雜的太空環(huán)境中正常工作,在軌服務(wù)技術(shù)已成為各國研究的焦點(diǎn)問題。空間機(jī)器人抓捕就是其中的一項(xiàng)重要技術(shù),它是指在無人干預(yù)的情況下,對(duì)指定目標(biāo)實(shí)施抓捕。空間機(jī)器人位置和姿態(tài)的協(xié)同控制是順利完成抓捕的基礎(chǔ)。由于空間機(jī)器人在上述過程中位姿運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生耦合現(xiàn)象,給系統(tǒng)的協(xié)同控制帶來了困難。為此,本文研究了空間機(jī)器人抓捕逼近段的位姿耦合協(xié)同控制問題以及其參數(shù)優(yōu)化問題。首先,針對(duì)追蹤空間機(jī)器人逼近過程,建立了相對(duì)于目標(biāo)空間機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型。為便于描述空間機(jī)器人的繞地運(yùn)動(dòng),建立了地球慣性坐標(biāo)系、空間機(jī)器人本體坐標(biāo)系以及追蹤空間機(jī)器人與目標(biāo)空間機(jī)器人的相對(duì)坐標(biāo)系;將空間機(jī)器人在宇宙中的平移和旋轉(zhuǎn)近似為剛體的螺旋運(yùn)動(dòng),利用對(duì)偶四元數(shù)描述其運(yùn)動(dòng)狀態(tài),在相應(yīng)的坐標(biāo)系下推導(dǎo)出空間機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程,并根據(jù)動(dòng)量定理得出其動(dòng)力學(xué)方程;考慮追蹤空間機(jī)器人與目標(biāo)空間機(jī)器人本體坐標(biāo)系之間的相對(duì)螺旋運(yùn)動(dòng),推導(dǎo)出兩者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和相對(duì)動(dòng)力學(xué)方程,并分析證明了相對(duì)動(dòng)力學(xué)方程中平移運(yùn)動(dòng)與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的耦合性。其次,基于空間機(jī)器人相對(duì)動(dòng)力學(xué)模型,設(shè)計(jì)了位姿耦合協(xié)同控制器。將信息拓?fù)鋱D理論和一致性理論引入多智能體狀態(tài)分析中,設(shè)計(jì)了基于二階一致性的位置協(xié)同控制器并證明其穩(wěn)定性,仿真表明了一致性協(xié)同控制算法可使多智能體狀態(tài)趨于一致;在無向通信拓?fù)錀l件下,以一個(gè)目標(biāo)空間機(jī)器人和兩個(gè)追蹤空間機(jī)器人為例,設(shè)計(jì)出一種基于二階一致性算法的空間機(jī)器人位姿耦合協(xié)同控制器,該控制器保證了抓捕逼近段追蹤空間機(jī)器人的相對(duì)位置、姿態(tài)和速度等均收斂于期望值,利用仿真結(jié)果證明了該方法實(shí)現(xiàn)抓捕逼近段追蹤空間機(jī)器人與目標(biāo)空間機(jī)器人的位置和姿態(tài)協(xié)同控制的有效性。最后,針對(duì)位姿耦合協(xié)同控制器參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。以降低系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)和最小化系統(tǒng)控制力和力矩為依據(jù)選取適應(yīng)度函數(shù),通過使其取值最小來確定粒子群的群體最優(yōu)值,將混沌思想引入粒子群算法中,避免了粒子過早地陷入局部最優(yōu)的現(xiàn)象,采用混沌粒子群算法對(duì)空間機(jī)器人抓捕逼近段的位姿耦合協(xié)同控制器進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化,將參數(shù)優(yōu)化后的控制器與原控制器進(jìn)行仿真對(duì)比分析,仿真結(jié)果表明,優(yōu)化后的控制系統(tǒng)收斂時(shí)間變短,證明粒子群算法能夠有效改善位姿耦合協(xié)同控制器的控制性能。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TP242

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本文編號(hào)：1283651