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时间:2019-11-26
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1、10中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnology2010年2月第1期在轨空间机器人参数辨识研究田富洋吴洪涛赵大旭邵兵孙宏丽朱剑英(南京航空航天大学机电学院,南京210016)摘要文章以在轨自由漂浮空间机器人为研究对象,建立了基于空间算子代数的空间机器人运动学模型,研究了机器人本体和所抓取未知目标卫星的参数辨识问题,如本体和未知目标的质心、质量以及惯量张量等参数。首先基于空间算子代数理论建立空间机器人运动学符号模型;然后基于线动量及角动量守恒方程即可对空间机器人本体和未知目标卫
2、星进行未知参数的辨识;随后分析了机器人的参数对辨识过程的影响以及参数辨识对控制规律的影响。在地面实验室中验证了本参数识别方法的可行性以及效果。关键词机器人参数辨识空间算子运动学模型航天器1引言自由飞行/漂浮空间机器人是航天领域中的一个重要发展方向,也是今后空间开发必备的基础设施[1-2]。由于空间机器人本体的质量随着载荷及燃料的消耗而发生变化,以及目标卫星的惯性参数往往是未知的,因此在空间机器人抓取未知目标卫星运动控制时必须首先进行参数辨识。同时由于大型在轨服务空间机器人的结构复杂性,动态耦合问题十分突出,在地
3、面上很难实施全尺寸的动力学参数辨识试验。因此,开展在轨空间机器人参数辨识技术研究是具有重要的理论意义和实际价值¨J。Slotine和Adenilson利用空间机器人动力学方程来进行系统的参数辨识L4_5J,此方法的优点在于机器人不需要初始速度,缺点在于必须测量机器人各关节的加速度信号以及力矩信息,并且需要考虑阻尼的影响,而且利用动力学进行辨识会大量消耗空间机器人的能量。Murotsu和Senda等人提出了基于线动量和角动量守恒的参数辨识算法来确定系统的质心和转动惯量,但利用该方法建立的线性方程组是奇异性的,无法
4、求解惯量参数进行参数辨识【63;郭琦等人利用这种方法对双臂空间机器人抓取未知目标进行了参数识别的研究L7j。但他们都没有分析各种因素对参数辨识的影响、前提条件以及铰的运动规律影响,忽略了利用该法所建立方程组是奇异性的问题。利用该方法进行参数辨识的前提条件,是空间机器人需要带有相当数量的机械臂以及机械臂需要有初始速度。本文首先基于空间算子代数理论,建立了空间机器人的运动学模型,然后根据空间机器人的动量守恒特性,研究了机器人本体和所抓取的未知目标卫星的参数辨识问题,并且吸取前人的经验教训,分析了避免动量守恒方程组产
5、生奇异性问题的方法。根据已知的参数,首先依次使各个转动铰具有初始速度,通过安装在本体上的测速计依次检测出本体的线速度和角速度,建立一系列系统的线动量和角动量守恒的线性方程组,求解出空间机器人本体的质量、质心以及转动惯量等参数;在空间机器人抓取目标卫星时,按照相同的算法,确定末端执行器抓取的未知卫星目标的质量、质心和转动惯量;随后分析了利用该方法进行空间机器人参数辨识时的前提条件以及影响因素。国家自然科学基金资助项目(50375071)}国防科工委。十一五”某预研基金资助项目收稿日期:2009—03—25。收修改
6、稿日期:2009—07—092010年2月中国空间科学技术2空间机器人模型建立2.1空间机器人坐标系本文研究的空间机器人和未知目标系统如图1所示。机器人具有一个本体(o体)和n(n>2)个机械臂通过以个旋转铰连接的链式刚性多体系统。为方便递推运动学建模,假定空间机器人本体与大地之间有一个6自由度虚拟铰。整个系统分为三个子系统:一个为包括卫星本体的本体系统;另一个为包括各个机械臂的机械臂系统;最后一个为由未知目标卫星和末端执行器组成的未知体系统(行+1体)。用坐标系乏f、三。、三i、毛+。分别表示惯性参考系、卫星
7、本体参考系、固定在铰i上的操作臂参考系以及未知目标参考系。惯性系的原点固定在整个空间机器人系统的质心位置。未知目标卫星是被机械臂牢牢的抓住,其位置和方!77=矽777大地图1空间机器人模型向相对于末端手爪不发生改变。为方便辨识,采用分步识别方法,在进行参数辨识过程中,每步只考虑一个铰运动,其余铰为锁定的,这样就把研究的系统简化为通过旋转铰连接的两个刚体组成的二体系统。2.2空间机器人运动学在本文中,理论推导过程采用符号推导软件Mathematica和手工推导相结合的方法得到,并且为简化符号推算的复杂性,本文研究
8、的空间漂浮机器人的运动学表达是基于高效递推形式表示的。定义系统的广义坐标为:g=[q。,0;]7,其中:口。=[乳,‰,如,‰,彻,r神]T,8i=[口。,⋯,六]T。在本文中所出现的符号,左上角标表示该符号在所在的坐标系下表示。如符号。多(o)和。∞(o),其中,由表示线速度,∞表示角速度,o五(o)和o∞(o)则分别表示空间机器人系统本体的坐标系原点在本体坐标系下的线速度和角速度。
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