自由漂浮空间机器人轨迹规划及轨迹跟踪研究.pdf

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1、硕士学位论文自由漂浮空间机器人轨迹规划及轨迹跟踪研究RESEARCHONTRAJECTORYPLANNINGANDTRAJECTORYTRACKINGOFFREE-FLOATINGSPACEROBOT邵翔宇哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TP273.2学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工学硕士学位论文自由漂浮空间机器人轨迹规划及轨迹跟踪研究硕士研究生：邵翔宇导师：LeopoldoGarciaFranquelo申请学位：工学硕士学科：控制科学与工程所在单位：航天学院答辩日期

2、：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP273.2U.D.C:621.3DissertationfortheMaster’sDegreeinEngineeringRESEARCHONTRAJECTORYPLANNINGANDTRAJECTORYTRACKINGOFFREE-FLOATINGSPACEROBOTCandidate：ShaoXiangYuSupervisor：Prof.LeopoldoGarciaFranqueloAcademicDegreeApplie

3、dfor：MasterofEngineeringSpeciality：ControlScienceandEngineeringAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要随着人类对太空探索的日渐深入，所需执行的外太空空间任务变得更加复杂多样。在完成这些空间任务的过程中，将空间机器人适当应用在一些

4、任务场合来代替宇航工作者，一方面可以显著的减少宇航员在未知空间环境中执行任务的危险，保护宇航员的生命安全；另一方面，合理的利用空间机器人协助完成任务可以很大程度上提高执行任务的效率和任务完成的质量。因此随着今后航天事业的发展，空间机器人在降低太空设备维护成本，保障宇航工作者生命财产安全，推进航天技术产业化进程中扮演着越来越重要的角色。自由漂浮空间机器人是一种特殊类型的空间作业机器人，相比于固定基座机器人，其显著特点在于基座的欠驱动和低抗扰性，即在运动过程中，该类机器人基座没有驱动力的作用，处于一种自由悬浮

5、的状态并受到系统整体运动的干扰。这种特性使得其在运动过程中，无法对基座的位姿进行有效控制，进而影响末端执行器的定位精度。基于以上考虑，本文将对自由漂浮空间机器人进行关节空间内轨迹规划并设计控制器完成对所规划轨迹的跟踪。本文首先研究了自由漂浮空间机器人的刚体动力学模型。为完成动力学模型的建立，利用自由漂浮空间机器人动量和角动量守恒的特性推导出各个连杆质心的速度、角速度和相应的关节角度之间的关系。在此基础上完成了系统能量的求解并利用拉格朗日方程完成了动力学模型的建立。然后本文将伪谱法应用到求解自由漂浮空间机器

6、人关节空间内轨迹规划的问题中。伪谱法是求解最优控制问题的一种数值计算方法，可以显著提高求解轨迹规划问题时的计算速度。根据离散节点选取的不同，本文分别用Gauss伪谱法和自适应Radau伪谱法来求解轨迹规划问题，并对自适应Radau伪谱法的计算误差进行了分析。最后本文利用滑模控制理论设计了终端滑模控制器，对所规划的轨迹进行跟踪。在进行控制器设计时，本文利用Lyapunov方法完成了所设计系统稳定性的证明，并通过仿真实验验证了所设计控制器对自由漂浮空间机器人轨迹跟踪问题的控制效果。关键词：自由漂浮空间机器人；

7、轨迹规划；Gauss伪谱法；自适应Radau伪谱法；终端滑模控制；-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractWiththedeepeningofhumanexplorationforspace,theouterspacemissionneededtobeperformedhavebecomemorecomplexanddiverse.Usingspacerobotinsteadofaerospaceworkersinsomespacetaskscansignificantlyreducether

8、iskofastronautsworkinginunknownenvironmentandprotecttheirlifesafety.Also,thereasonableuseofspacerobotcangreatlyimprovetheefficiencyandqualityofthetasks.Therefore,withthedevelopmentofaerospaceindustry,spacerobotwillp