空間機器人快速在軌抓捕動力學與控制研究.pdf

1、空間機器人在軌抓捕相關技術是高級在軌服務的關鍵技術之一。由于空間機器人動力學結構呈現復雜的非線性及耦合特性，使得在軌抓捕操作面臨動力學與控制等方面的諸多難題。此外，若抓捕對象為故障或失效航天器等非合作目標，其對空間機器人的運動規(guī)劃與控制提出了更大的挑戰(zhàn)，相關技術是目前航天工程領域研究的熱點問題。本文針對空間機器人快速在軌逼近與抓捕一類非合作目標的難點問題，系統(tǒng)深入地研究了空間機器人逼近與抓捕過程動力學建模、運動規(guī)劃、抓捕過程軌跡跟蹤控制

2、以及抓捕后協(xié)同控制等問題。本研究主要內容包括：
　?、沤⒘丝臻g機器人快速逼近與抓捕過程的動力學模型，揭示了空間機器人動力學特性及受重力梯度擾動下的姿態(tài)動力學響應特性。對空間機器人飛越式逼近過程，建立了空間機器人與目標相對運動軌道動力學模型；針對空間機器人抓捕過程，建立了空間機器人抓捕操作動力學模型；將空間機器人與目標接觸假設為瞬時過程，建立了空間機器人抓捕目標后耦合系統(tǒng)動力學模型。將以上模型映射到同一坐標空間，建立了空間機器人在

3、軌逼近與抓捕全過程的系統(tǒng)動力學方程。針對空間機器人飛越式逼近與抓捕過程中處于自由漂浮模式的特點，從系統(tǒng)約束特性和動力學奇異性方面解析分析了自由漂浮空間機器人動力學特性，揭示了其對空間機器人工作空間的影響；研究了空間機器人關節(jié)零反作用空間特性，提出了關節(jié)空間動力學解耦運動條件。通過仿真算例驗證了理論與方法的有效性。研究了作為主要環(huán)境擾動的重力梯度力矩對自由漂浮空間機器人的姿態(tài)擾動影響，建立了考慮姿態(tài)與軌道耦合作用的自由漂浮空間機器人受重力

4、梯度擾動動力學方程；針對不同軌道參數和初始條件仿真分析了系統(tǒng)姿態(tài)動力學響應，包括空間機器人關節(jié)無控時姿態(tài)受擾動分析、關節(jié)鎖定時俯仰姿態(tài)受擾動分析以及長時間工作時末端位姿影響分析。揭示了受重力梯度擾動自由漂浮空間機器人姿態(tài)動力學的非線性特征。
　?、铺岢隽丝臻g機器人快速逼近與抓捕過程的一體化運動規(guī)劃方法。針對一類非合作目標在軌抓捕問題，提出了空間機器人飛越式逼近中同步抓捕目標的快速抓捕策略；針對抓捕過程中空間機器人運動特點，分別定義

5、了飛越式逼近的飛行階段和機械臂抓捕實現流程；基于瞬時接觸過程的基本假設，建立了空間機器人與目標接觸過程的角動量傳遞模型，利用模型設計了抓捕過程對空間機器人的基座姿態(tài)擾動最小約束條件。從物理約束、任務約束和安全約束方面提出了空間機器人逼近軌跡和抓捕軌跡設計指標，系統(tǒng)建立了空間機器人快速逼近與抓捕過程一體化運動規(guī)劃模型。提出了基于混沌差分進化算法的規(guī)劃模型求解思路和實現流程，針對典型算例開展了數值仿真，驗證了規(guī)劃模型和求解算法的有效性。

6、r>　?、翘岢隽丝臻g機器人在有限時間內快速抓捕和轉移目標的軌跡跟蹤控制方法。針對空間機器人在逼近過程中抓捕目標問題，提出了有限時間變結構控制方法；在此基礎上，針對空間機器人系統(tǒng)參數不確定性和非參數不確定性，建立了徑向基函數（Radial Basis Function，RBF）網絡補償模型自適應補償控制系統(tǒng)模型誤差，提出了自適應RBF網絡非奇異終端滑模控制方法；進一步考慮關節(jié)執(zhí)行器輸出飽和問題，基于雙RBF網絡補償模型提出了約束自適應RB

7、F網絡非奇異終端滑?？刂品椒ǎ焕梅抡嫠憷龑⑸鲜隹刂品椒ㄅc傳統(tǒng)滑?？刂七M行了對比分析，驗證了所提出的控制方法在收斂時間和收斂精度等方面的改進效果。針對空間機器人捕獲目標后的耦合系統(tǒng)轉移目標操作，提出了機械臂末端工作空間動力學解耦條件，使耦合系統(tǒng)僅驅動機械臂即可實現對目標與基座姿態(tài)的獨立控制；在此基礎上針對轉移操作時間有限和復雜環(huán)境擾動因素，提出了目標轉移操作中對基座姿態(tài)無擾動的有限時間協(xié)同控制方法；利用仿真算例開展了對比分析，驗證了控制

8、算法的有效性。
　?、仍O計了空間機器人抓捕目標的地面驗證實驗方案，開展了動力學特性及控制算法的地面驗證實驗。利用基于氣浮式微重力平臺的地面驗證實驗系統(tǒng)，設計了空間機器人抓捕目標的地面驗證實驗方案；對空間機器人在自由漂浮模式下的動力學耦合特性分析結果和該模式下基座無擾動控制算法開展了地面驗證實驗，實驗結果驗證了論文理論模型與仿真計算的正確性。研究了空間機器人飛越式逼近運動中同步抓捕目標過程的動力學、規(guī)劃與控制問題，系統(tǒng)地提出了針對一