【摘要】：隨著空間科學(xué)及機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展,自由漂浮空間機(jī)器人對(duì)空間在軌服務(wù)領(lǐng)域的重要性也不斷增加,并逐漸替代航天員執(zhí)行危險(xiǎn)的艙外任務(wù),同時(shí)也擴(kuò)大了任務(wù)的可達(dá)工作空間,從而達(dá)到了提高執(zhí)行任務(wù)效率和減少空間經(jīng)費(fèi)的目的。而對(duì)于自由漂浮空間機(jī)器人來說,任務(wù)過程中的路徑規(guī)劃與控制方法是能否順利完成在軌服務(wù)的基礎(chǔ),也是需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。本文以自由漂浮空間機(jī)器人為研究背景,對(duì)路徑規(guī)劃、路徑跟蹤控制及空間機(jī)器人系統(tǒng)姿態(tài)控制問題展開了深入的研究。主要研究?jī)?nèi)容包括:考慮到傳統(tǒng)路徑規(guī)劃方法對(duì)基座衛(wèi)星擾動(dòng)較大問題,提出了一種基于控制變量參數(shù)化的自由漂浮空間機(jī)器人路徑規(guī)劃方法,給出了完整的理論收斂性證明,解決了目前控制變量參數(shù)化方法缺少理論收斂性證明的問題。首先,將任務(wù)空間內(nèi)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)路徑規(guī)劃問題描述為以基座衛(wèi)星擾動(dòng)最小為目標(biāo)函數(shù),同時(shí)滿足初始時(shí)刻和末端時(shí)刻的邊界約束條件,以及運(yùn)動(dòng)過程中的路徑約束條件的最優(yōu)控制問題。然后,利用控制變量參數(shù)化方法將最優(yōu)控制問題進(jìn)行離散化處理,進(jìn)而轉(zhuǎn)化為非線性規(guī)劃問題并求解,最終得到自由漂浮空間機(jī)器人末端執(zhí)行器的最優(yōu)路徑。仿真結(jié)果表明,所提方法有效減小了基座衛(wèi)星姿態(tài)的擾動(dòng),并具有較高的求解精度。為了提高自由漂浮空間機(jī)器人路徑規(guī)劃的計(jì)算效率,滿足實(shí)時(shí)性要求,提出了基于多段Gauss偽譜法和hp-自適應(yīng)Gauss偽譜法的自由漂浮空間機(jī)器人路徑規(guī)劃方法。利用多段Gauss偽譜法將規(guī)劃時(shí)間進(jìn)行分段,使Jacobian矩陣變?yōu)橄∈桕?從而提高了求解效率,但仍無法滿足實(shí)時(shí)性要求。為此,進(jìn)一步提出了基于hp-自適應(yīng)Gauss偽譜法的空間機(jī)器人路徑規(guī)劃方法,設(shè)計(jì)了hp-自適應(yīng)決策變量,能夠在不滿足精度要求的時(shí)間單元上,自適應(yīng)地選擇將時(shí)間單元細(xì)分或者增加時(shí)間單元上的配點(diǎn)數(shù)量,解決了其他路徑規(guī)劃方法無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性的問題。同時(shí),給出了hp-自適應(yīng)Gauss偽譜法收斂性的理論證明,解決了hp-自適應(yīng)Gauss偽譜法缺少相關(guān)理論收斂性證明的問題。仿真結(jié)果表明,該算法能夠滿足實(shí)時(shí)性要求。針對(duì)運(yùn)動(dòng)空間存在障礙物的自由漂浮空間機(jī)器人系統(tǒng),提出了基于非線性模型預(yù)測(cè)控制的軌跡跟蹤控制方法,解決了自由漂浮空間機(jī)器人軌跡跟蹤過程中對(duì)實(shí)時(shí)障礙物的規(guī)避問題。該方法在每個(gè)時(shí)刻以跟蹤誤差最小為性能指標(biāo),同時(shí)滿足路徑約束及障礙物約束等約束條件,優(yōu)化得到一組有限時(shí)域最優(yōu)控制序列,并將控制序列第一個(gè)控制量作為該時(shí)刻實(shí)際控制量作用于系統(tǒng),在下一時(shí)刻重復(fù)進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí),提出了一種任務(wù)空間中用來描述障礙物規(guī)避的不等式約束,并將其作為約束條件考慮到軌跡跟蹤控制中,實(shí)現(xiàn)自由漂浮空間機(jī)器人規(guī)避障礙物的目的。仿真結(jié)果表明,該方法能夠有效完成路徑跟蹤任務(wù),同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙物的規(guī)避。針對(duì)存在轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不確定性和外部干擾力矩的撓性自由漂浮空間機(jī)器人系統(tǒng),提出了基于自適應(yīng)滑模變結(jié)構(gòu)控制的姿態(tài)控制器。所設(shè)計(jì)控制器中引入實(shí)時(shí)參數(shù)更新策略對(duì)干擾力矩進(jìn)行估計(jì),并且不含有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量矩陣,克服了傳統(tǒng)滑模控制器需要獲取轉(zhuǎn)動(dòng)慣量參數(shù)及干擾力矩上界的缺點(diǎn)。此外,進(jìn)一步考慮系統(tǒng)的輸入飽和,提出了另一種自適應(yīng)滑模變結(jié)構(gòu)控制器,保證了存在輸入飽和情況下閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的有效性。
【圖文】：

典型的空間機(jī)器人通常由兩個(gè)主要部件構(gòu)成：基座或航天器本體和搭載在本體上的一個(gè) n自由度機(jī)械臂�？臻g機(jī)器人被認(rèn)為是空間在軌服務(wù)任務(wù)中最有前途的方法之一，它可以代替宇航員執(zhí)行參外危險(xiǎn)任務(wù)或宇航員無法完成的任務(wù)，如空間飛行器的對(duì)接與停靠、燃料補(bǔ)充、航天器維修、艙外救援及空間碎片清理等。1.2.1 國外空間機(jī)器人研究現(xiàn)狀1.2.1.1 加拿大空間機(jī)器人世界上第一個(gè)成功用于空間在軌服務(wù)的機(jī)器人為 1981 年隨著美國哥倫比亞航天飛機(jī)一起發(fā)射入軌的航天飛機(jī)遙控機(jī)械臂系統(tǒng)（SRMS），也稱為加拿大臂 1 號(hào)（Canadarm1），該空間機(jī)器人由加拿大 MD Robotic 公司研制，如圖 1-1所示[5]。該機(jī)械臂系統(tǒng)由硬度較高的碳纖維材料制成，并具有六個(gè)自由度，總長(zhǎng) 15.2 米，直徑 0.38 米，重 41.5 千克，最大負(fù)載 29484 千克，空載狀態(tài)下的速度為 0.6 米/秒，滿載狀態(tài)下的速度為 0.06 米/秒。最初設(shè)計(jì)目的是用于投放衛(wèi)星進(jìn)入軌道、維修失效衛(wèi)星及建設(shè)國際空間站等。

典型的空間機(jī)器人通常由兩個(gè)主要部件構(gòu)成：基座或航天器本體和搭載在本體上的一個(gè) n自由度機(jī)械臂�？臻g機(jī)器人被認(rèn)為是空間在軌服務(wù)任務(wù)中最有前途的方法之一，它可以代替宇航員執(zhí)行參外危險(xiǎn)任務(wù)或宇航員無法完成的任務(wù)，如空間飛行器的對(duì)接與停靠、燃料補(bǔ)充、航天器維修、艙外救援及空間碎片清理等。1.2.1 國外空間機(jī)器人研究現(xiàn)狀1.2.1.1 加拿大空間機(jī)器人世界上第一個(gè)成功用于空間在軌服務(wù)的機(jī)器人為 1981 年隨著美國哥倫比亞航天飛機(jī)一起發(fā)射入軌的航天飛機(jī)遙控機(jī)械臂系統(tǒng)（SRMS），，也稱為加拿大臂 1 號(hào)（Canadarm1），該空間機(jī)器人由加拿大 MD Robotic 公司研制，如圖 1-1所示[5]。該機(jī)械臂系統(tǒng)由硬度較高的碳纖維材料制成，并具有六個(gè)自由度，總長(zhǎng) 15.2 米，直徑 0.38 米，重 41.5 千克，最大負(fù)載 29484 千克，空載狀態(tài)下的速度為 0.6 米/秒，滿載狀態(tài)下的速度為 0.06 米/秒。最初設(shè)計(jì)目的是用于投放衛(wèi)星進(jìn)入軌道、維修失效衛(wèi)星及建設(shè)國際空間站等。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：V441;TP242

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本文編號(hào)：2631423