本文關(guān)鍵詞：柔性空間機(jī)器人操作大撓性航天器的動(dòng)力學(xué)與振動(dòng)控制　出處：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：未來一部分航天器尺寸會(huì)越來越大,空間機(jī)器人將面臨更加苛刻的操作環(huán)境。一些大型柔性部件,例如衛(wèi)星天線和太陽能帆板等,都不可避免的會(huì)安裝在航天器上。由于大撓性結(jié)構(gòu)的振動(dòng),使得本身就具有柔性的空間機(jī)器人捕獲和維修大撓性航天器成為一項(xiàng)非常具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。本文以柔性空間機(jī)器人捕獲及操作大撓性航天器的任務(wù)為研究背景,重點(diǎn)研究柔性空間機(jī)器人及復(fù)合體系統(tǒng)建模、動(dòng)力學(xué)耦合及振動(dòng)控制等方面的內(nèi)容,并搭建氣浮實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。目標(biāo)捕獲前,空間機(jī)器人含有柔性附件和柔性關(guān)節(jié)為典型的剛?cè)狁詈舷到y(tǒng);目標(biāo)捕獲后,空間機(jī)器人和大撓性目標(biāo)形成一個(gè)兩端含有撓性附件中間通過柔性機(jī)械臂連接的復(fù)合體系統(tǒng)。針對(duì)此本文采用遞推組集的方式建立了柔性空間機(jī)器人和復(fù)合體系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型。基于C語言開發(fā)了動(dòng)力學(xué)計(jì)算程序并與Adams軟件進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。在動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上,分析了柔性空間機(jī)器人系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)耦合特性。定義了用于描述柔性附件彈性運(yùn)動(dòng)到機(jī)械臂末端運(yùn)動(dòng)耦合大小的耦合因子。并通過建立關(guān)節(jié)角加速度與彈性變量加速度之間的關(guān)系,得到關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)到附件彈性運(yùn)動(dòng)的耦合矩陣。根據(jù)耦合矩陣?yán)L制了關(guān)節(jié)空間描述的耦合圖。所開發(fā)的動(dòng)力學(xué)計(jì)算程序具有高效高精度的優(yōu)點(diǎn),為后續(xù)柔性空間機(jī)器人系統(tǒng)的規(guī)劃和控制奠定了基礎(chǔ)。耦合因子和耦合圖可分別應(yīng)用于設(shè)計(jì)空間機(jī)器人的構(gòu)型和降低柔性附件的振動(dòng)�？臻g機(jī)器人進(jìn)行點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)激發(fā)柔性附件的彈性振動(dòng),在柔性空間機(jī)器人動(dòng)力學(xué)耦合研究的基礎(chǔ)上,提出了一種基于耦合圖的減振軌跡規(guī)劃方法。分別討論了起始點(diǎn)和終止點(diǎn)位于相同和不同最小耦合曲線兩種情況下的關(guān)節(jié)軌跡規(guī)劃方法�；隈詈蠄D的減振軌跡規(guī)劃方法具有直觀可行,簡單有效的優(yōu)點(diǎn)。為了確定柔性空間機(jī)器人點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)能量最小或殘余振動(dòng)最小的最優(yōu)運(yùn)動(dòng)軌跡,首先將柔性空間機(jī)器人最優(yōu)運(yùn)動(dòng)軌跡確定問題采用Bolza型最優(yōu)控制進(jìn)行數(shù)學(xué)描述,然后利用Radau偽譜法求解柔性空間機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡的最優(yōu)解。Radau偽譜法確定最優(yōu)軌跡的同時(shí)也驗(yàn)證了基于耦合圖的減振軌跡規(guī)劃方法的正確性。當(dāng)柔性空間機(jī)器人自主抓捕目標(biāo)航天器時(shí),航天器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)時(shí)發(fā)生變化且系統(tǒng)存在復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)耦合現(xiàn)象,使得無法采用基于離線規(guī)劃或開環(huán)的方式進(jìn)行柔性附件的振動(dòng)控制。針對(duì)此問題提出了一種同時(shí)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)跟蹤及柔性附件振動(dòng)抑制的混合控制方法。首先建立了柔性空間機(jī)器人目標(biāo)自主捕獲的閉環(huán)控制系統(tǒng)并給出了相對(duì)位姿測量和自主捕獲軌跡規(guī)劃的方法。然后設(shè)計(jì)了一種同時(shí)滿足關(guān)節(jié)軌跡跟蹤和附件振動(dòng)抑制的混合控制律,并利用李雅普諾夫第二類方法證明了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該方法可以在沒有專門柔性附件振動(dòng)抑制作動(dòng)器的情況下,實(shí)現(xiàn)柔性附件在線振動(dòng)控制。而且振動(dòng)信號(hào)的選擇靈活多樣,具有較好的應(yīng)用價(jià)值。當(dāng)大撓性目標(biāo)捕獲后,安裝在目標(biāo)航天器上的大撓性附件的結(jié)構(gòu)參數(shù)未知且其振動(dòng)無法直接測量。本文利用振動(dòng)波傳遞的特性,提出了一種基于振動(dòng)波疊加的振動(dòng)抑制復(fù)合控制方法。首先闡述了振動(dòng)波控制的原理,將振動(dòng)波分為傳遞波和返回波,給出了返回波的兩種計(jì)算方法。然后針對(duì)復(fù)合體系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種結(jié)合PD控制和振動(dòng)波控制的復(fù)合控制方法。并利用李雅普諾夫第二類方法證明了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該方法將對(duì)大撓性附件的振動(dòng)控制完全轉(zhuǎn)移到機(jī)械臂關(guān)節(jié)處實(shí)現(xiàn),具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。根據(jù)空間微重力特性和動(dòng)力學(xué)及振動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)的需求,本文建立了一套柔性空間機(jī)器人地面氣浮實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)充分考慮了空間微重力環(huán)境和系統(tǒng)柔性特性,可以保證在平面內(nèi)很好的模擬空間機(jī)器人和復(fù)合體系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性�；诖藢�(shí)驗(yàn)系統(tǒng),首先開展了復(fù)合體系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性研究。研究了關(guān)節(jié)規(guī)劃方法和規(guī)劃時(shí)間對(duì)復(fù)合體系統(tǒng)振動(dòng)的影響。然后采用振動(dòng)波疊加的復(fù)合控制方法對(duì)復(fù)合體系統(tǒng)振動(dòng)抑制進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
【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】：2017
【分類號(hào)】：V441;TP242

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1309700