双臂空间机器人捕获翻滚目标后参数辨识和控制技术研究

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1、学校代码10699分类号V448.2密级学号2013200263题目双臂空间机器人捕获翻滚目标后参数辨识和控制技术研究作者薛爽爽学科、专业飞行器设计指导教师罗建军申请学位日期2016年3月西北工业大学硕士学位论文（学位研究生）双臂空间机器人捕获翻滚目标后参数辨识和控制技术研究作者薛爽爽指导教师罗建军教授学科专业飞行器设计西北工业大学航天学院2016年3月ThesisSubmittedforTheMasterDegreeofEngineeringinFlightVehicleDesignParameterIdentificationandControlinPost-capture

2、ofaTumblingTargetbyaDual-armSpaceRobotByXueShuang-shuangSupervisedbyProf.LuoJian-junSchoolofAstronauticsNorthwesternPolytechnicalUniversityXi’anP.R.ChinaMarch2016摘要摘要空间机器人对目标的在轨捕获技术是在轨服务的关键技术之一，它是实现航天器在轨维修、在轨加注、空间碎片清理等在轨服务活动的基础和前提，在轨捕获操作的整个过程一般可以分为四个阶段：预捕获阶段、接触碰撞阶段、后捕获阶段、组合体稳定控制阶段。出于安全考虑，空间机

3、器人在接近目标准备抓捕时会关闭基座的姿轨控系统，成为自由漂浮系统。双臂空间机器人相比于单臂空间机器人具有更好的灵活性和协调操作的能力，因此在捕获非合作翻滚目标时具有先天的优势。然而由于非合作翻滚目标的动力学参数和初始角动量未知，自由漂浮空间机器人在捕获此类目标后面临十分复杂的控制问题。此外，为了保证组合体稳定控制段及后续操作中的控制精度和稳定性，还需要在后捕获段完成对目标动力学参数的辨识。因此，本文主要研究了自由漂浮双臂空间机器人在后捕获阶段的控制技术和目标动力学参数辨识技术。论文的主要研究工作和成果如下：第一，针对自由漂浮双臂空间机器人捕获翻滚目标后的控制问题，提出了一种分段

4、控制策略实现后捕获阶段的目标动力学参数辨识、目标停泊、基座姿态重定向和稳定控制。该控制策略将自由漂浮双臂空间机器人后捕获段控制划分为三个阶段进行处理：第一阶段利用抓捕臂和辅助臂与基座之间的运动耦合特性实现自适应基座姿态无扰控制，并根据此阶段的测量信息完成对目标动力学参数的在线辨识；第二阶段在线规划并跟踪抓捕臂的关节运动轨迹实现目标停泊；第三阶段结合第一阶段辨识得到的目标动力学参数，利用分布式动量控制方法通过转移系统角动量完成基座姿态的重新定向和稳定控制。第二，研究了自由漂浮双臂空间机器人的后捕获段基座姿态无扰控制技术。基于系统动量守恒原理、反作用零空间理论（RNS）和递推最小二

5、乘（RLS）自适应滤波方法设计了双臂空间机器人的自适应基座姿态无扰控制方法，该方法可以在系统初始角动量和目标动力学参数未知的情况下通过控制抓捕臂和辅助臂的运动实现基座姿态无扰。由于在控制过程中抓捕臂需要进行大范围运动所以可以利用该阶段的测量数据完成对目标动力学参数的辨识。第三，提出了一种后捕获段目标停泊轨迹规划方法和一种分布式动量控制方法。利用参数为五次多项式的正弦函数对抓捕臂的关节运动轨迹进行参数化处理，根据抓捕臂各关节的起始和终端约束以及关节最大运动范围确定关节轨迹函数的各个参数，从而得到目标停泊轨迹的解析解，该方法可以实现目标停泊轨迹的在线实时规划。分布式动量控制方法是利

6、用系统角动量守恒原理通过控制辅助臂的运动使系统状态处于预先设计的滑模面上，从而同时实现基座姿态的重新定向和稳定控制。I西北工业大学硕士学位论文第四，研究了后捕获段的目标动力学参数在线辨识方法。该方法基于动量守恒方程的增量形式表达式建立目标动力学参数辨识的线性回归模型，并利用基座姿态无扰控制过程中的测量数据构造以目标动力学参数为未知量的线性回归方程组，采用基于QR分解的RLS算法（QRD-RLS）计算目标动力学参数的估计值；此外，本文还提出了一种优化参数辨识激励轨迹的方法，通过将满足持续激励（PE）条件的参数辨识激励输入映射到空间机器人耦合惯性矩阵的零空间上，既满足了参数辨识所需

7、的PE条件，又不影响空间机器人基座姿态的无扰控制效果。关键词：自由漂浮双臂空间机器人，翻滚目标，捕获后控制，动力学参数辨识IIAbstractAbstractThecaptureofatargetbyaspacerobot,asoneoftheenablingtechniquesforon-orbitservicing,isthefoundationandpreconditionoftheon-orbitservicingtask,suchasrepairing,refueling,ando