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《多臂空间机器人的动力学与控制问题研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、多臂空间机器人的动力学与控制问题研究贾英宏北京航空航天大学宇航学院一、相关的具有重要意义的研究方向空间机器人在航天器在轨燃料加注、模块更换、维修以及再轨等空间任务,。、、中具有广阔的应用前景是当前航天器的重要发展方向之一美国加拿大日本、,德国等国家均在对空间机器人进行相关研究和试验部分空间机器人己经成,。,功应用于航天飞行任务如!∀#∃等在空间机器人相关的研究中以下几%方面的研究具有尤其重要的意义·航天器的相对导航及相对轨道控制问题,在空间机器人的相关操作中需要主航天器接近目标航天器&距离一般在几米甚至更短,,∋并且维持一定的相对位置和
2、速度这是空间机器人对目标进行操。,,作的第一步对航天器而言这一接近和相对轨道维持控制具有相当大的困难。,主要体现在精确的相对导航以及相对轨道运动控制尤其当目标为非合作目标时这一问题的技术难度尤为显著。·多臂空间机器人的动力学与控制问题,。多臂空间机器人的结构十分复杂系统的动力学具有强藕合和非线性特性,,从单纯的动力学计算角度而言动力学并不存在很大的问题目前很多商用软件也可进行较为准确的计算。动力学方面主要存在的问题是面向系统控制器设计的动力学建模问题,即所建立的模型,一般要求要以显式描述系统变量的藕合关系,。模型中不含待定乘子等与系统变量无关的
3、未知量且模型中不存在冗余变量这无论对于结构复杂的开链多体系统还是闭链多体系统都提出了较高的难度。,。,由于模型的复杂性系统控制器的设计也十分困难首先目标载荷的质量,%(和惯量通常是未知的这对捕获目标后的系统控制提出了难题要么对目标质量,、)惯量进行辨识目前尚未见到有较为成熟的方法要么采用自适应控制鲁棒控制等对模型参数不确定有适应性的控制方法,然而除控制算法复杂外,控制系统的动态和稳态性能也难以得到保证。·多臂空间机器人的在线避撞轨迹规划问题轨迹规划,,一直是机器人重要的研究方向对空间多臂机器人经我们的研究,%。发现轨迹规划中由两个问题值得特别深
4、入研究∗∋在线轨迹规划问题由于在空间机器人相关任务中,目标的位置(速度(姿态等一般都是在航天器本体系中测量,,)得到的而本体坐标系是动坐标系且本体与目标之间可能自身存在相对运动,,,因此轨迹规划的末端值并不固定且难以预知只能通过实时测量值进行实时。,,)在线规划+∋轨迹规划的避撞问题对多臂空间机器人由于结构的复杂性系统,,运动过程中非常容易出现各臂之间以及臂与本体之间的相互碰撞因此在轨迹规划中采用避撞策略十分重要。、二报告中所研究的问题需要的理论本报告中所研究的空间多臂机器人的动力学与控制问题隶属于上述三个研究。%方向中的第二个所需要的理论主要
5、有,航天器飞行动力学用于对空间机器人的轨道、姿态以及相关的运动学关系进行建模并进行相关的分析。,分析力学用于对所研究的多体系统进行准确的动力学建模。·非线性控制理论用于设计系统的控制器。三、报告的创新性%本研究中创新性主要有以下两点·任意自由度的空间多体开链系统祸合型动力学模型建模所建立的模型模型,可允许空间平台上带有任意多个机械臂系统每个机械臂。,系统可具有任意多个自由度通过不同的运动学关系模型中各关节的转动运动。可适用于−一.个自由度的不同结构情况模型中给出了系统质量阵以及所有非线,,。性祸合量的通用表达式具有很强的通用型且有利于系统控制器
6、的设计相比,。常用的递推算法这一模型更适用于控制器的设计·面向控制器设计的闭链系统动力学建模对闭链多体系统,传统的建模方法,或冗余变量,一般含有未知待定乘子给系。,统控制器设计带来很大困难在本研究中将闭链系统视为开链系统在满足一。,定初始条件和运动约束条件下所构成的系统在开链系统动力学模型的基础上,将闭链系统本质上的几何约束转换为系统的广义速度约束进而得到有关广义速度。,的微分运动约束关系利用运动约束关系定义系统的独立与非独立广义速度将开链系统模型中的非独立广义速度以独立广义速度来描述,并同时进行模型的降维,使模型中的系统变量均为独立广义速度,
7、从而得到捕获载荷后的闭链系统。,动力学模型该方法避免了一般待定乘子法所带来的未知乘子的问题且模型中,。无冗余变量为系统的控制器设计提供了有利的条件四、研究过程中所遇到的难点%研究过程中主要遇到以下几方面的困难·祸合型动力学模型中的闭链约束处理问题,,闭链系统的约束本质上为几何约束虽然可由之获得相应的速度约束但如何将约束条件与开链系统动力学结合则遇到了很大困难。结合最新的国际力学研究成果与所研究系统的特性,最终解决了这一问题,为闭链系统的藕合型动力学模型建立解决了关键技术。,祸合型动力学模型中的冗余变量处理问题约束问题得以处理后,虽然模型对闭链系
8、统的动力学计算不存在问题,但由,,,于约束方程的存在使得系统中模型变量并不独立且约束方程中并不含控制力,。这对系统的控制器设计仍然是不利的这是研究中所
