双臂空间机器人姿态调整运动的最优控制规划

讨论了双臂空间机器人系统姿态调整运动的最优控制规划问题.以多体动力学理论为基础,导出了载体位置、姿态均不受控制情况下,双臂空间机器人系统的动量矩守恒关系,并将其转化为系统状态方程;利用近似优化方法给出了一种双臂空间机器人姿态、关节协调运动的最优控制算法.其优点在于,仅控制双臂空间机器人的关节运动,即可同时获得载体姿态及机械臂关节需要的终端位置.系统数值仿真,证实了算法的有效性.      

双臂空间机器人系统运动规划的双向逼近方法

基于双向逼近方法,讨论了载体位置与姿态均不受控制的双臂空间机器人系统的运动规划问题．该方法以系统动量和动量矩守恒关系为基础,建立了控制系统设计所需系统状态方程;并通过对系统状态方程应用双向逼近方法,获得了机械臂关节角的控制输入方程,从而达到对载体姿态及机械臂关节角的双重控制效果．该方法的优点是减少了载体姿态控制燃料的消耗,有效地延长了空间机器人系统的使用寿命．系统数值仿真证明了该方法的有效性．     

基于Lyapunov方法的双臂空间机器人避障碍分级非完整运动规划

以Lyapunov方法为基础,讨论了载体姿态与位置均不受控制的双臂空间机器人系统的避障碍分级非完整运动规划问题.该方法充分利用系统的非完整动力学性质,以系统动量矩守恒关系及运动Jacobi关系为基础,建立控制设计所需的系统状态方程及控制输出方程;并在Lyapunov函数的选取上采用两级采取方式,即初级Lyapunov函数确保双臂空间机器人的两个末端抓手从初始位置运动到指定的终点位置,次级Lyapunov函数则确保两个末端抓手避开工作空间中的障碍区域;两级合成则使双臂空间机器人的两个末端抓手既实现了指定的位置移动又避开了障碍区域.系统数值仿真,证明了方法的有效性.      

双臂空间机器人关节运动的一种增广鲁棒控制方法

讨论了载体位置与姿态均不受控制情况下,漂浮基双臂空间机器人系统的控制问题.结合系统动量守恒关系进行的运动学、动力学分析表明,可以得到一组与适当选择的惯性参数呈线性函数关系的、欠驱动形式的系统动力学方程.以此为基础,并采用增广变量的思想,克服了通常情况下,空间机器人系统动力学方程关于系统惯性参数呈非线性关系的难点,针对双臂空间机器人末端爪手所持载荷参数不确定,但误差范围可确定的情况,设计了漂浮基双臂空间机器人关节运动的变结构鲁棒控制方案.该控制方案的优点在于,不需要反馈、测量漂浮基的位置、移动速度及移动加速度;与自适应控制方案相比,化积分运算为简单四则运算,计算量大为减少,有利于实时应用.通过对一个平面双臂空间机器人系统的数值仿真,证实了算法的有效性.      

双臂空间机器人关节运动的一种增广自适应控制方法

讨论了载体位置、姿态均不受控制情况下,具有未知参数的自由漂浮双臂空间机器人系统的自适应控制问题.由于此类机器人系统具有结合系统动量及动量矩守恒关系得到完全能控形式的系统动力学方程,以及系统惯性参数不符合惯常的线性函数关系的特点,因而地面机器人的控制方法在此难以直接推广应用.为了克服上述难点,仅将系统动量守恒关系耦合到系统动力学方程当中,而不耦合系统动量矩守恒关系,结果得到一组欠驱动形式的系统动力学方程.该系统动力学方程的优点是关于一组组合惯性参数能保持惯常的线性函数关系.以此为基础,并借助增广变量法,针对双臂空间机器人末端爪手所持载荷参数未知的情况,设计了关节空间轨迹跟踪的自适应控制方案.该控制方案的显著优点为,不需要测量、反馈双臂空间机器人漂浮基的位置、移动速度和移动加速度.系统的数值仿真,证实了方法的有效性.      

自由漂浮双臂空间机器人基于速度滤波器的惯性空间轨迹跟踪鲁棒控制

针对末端所持载荷参数未知的自由漂浮双臂空间机器人系统, 提出了基于速度滤波器的鲁棒控制方法. 利用拉格朗日方法进行运动学及动力学分析, 建立了双臂空间机器人系统欠驱动形式的动力学模型. 借助于增广变量法, 证明了可将空间机器人系统的增广广义Jacobi矩阵及动力学方程表示为一组组合惯性参数的线性函数. 在此基础上引入速度滤波器, 设计了双臂空间机器人基于速度滤波器的惯性空间轨迹跟踪鲁棒控制方案. 该速度滤波器可利用实测位置误差生成末端爪手的伪速度信号, 有效避免了相关速度信号的实时测量与反馈. 该方案的显著优点在于, 不需要测量、反馈末端爪手的移动速度和加速度, 同时有效消除了控制过程中的抖振现象. 平面自由漂浮双臂空间机器人系统的数值仿真验证了算法的有效性.      

漂浮基闭链双臂空间机器人抓持系统动力学及载荷力/位置混合控制的模糊变结构控制器设计

讨论了载体位置、姿态均不受控制的漂浮基双臂空间机器人抓物系统的动力学建模和控制问题. 利用拉格朗日方法和牛顿欧拉法分别建立了双臂空间机器人及负载的非线性动力学模型, 结合空间机器人固有的特性及闭合链约束关系, 得到抓持系统合成动力学方程. 以此为基础, 考虑到空间机器人系统结构的复杂性及某些参数的变动性, 根据具有较强鲁棒性的变结构控制理论, 针对该抓持系统惯性空间轨迹跟踪设计了全局滑模控制方案及相应的PI内力控制方案, 从而达到位置、力的混合控制. 为克服滑模控制器抖振的缺点, 附加设计了模糊控制器, 根据系统的输出来动态调节滑模控制器的参数, 从而既可确保系统的快速响应又可降底原有的抖振. 系统数值仿真证明了上述控制方案的有效性与准确性.      

滑移铰空间机器人基于分级Lyapunov方法的避障碍非完整运动规划

基于分级Lyapunov方法,讨论了载体姿态与位置均不受控制的滑移铰空间机器人末端运动轨迹的避障碍运动学规划问题．首先以系统动量矩守恒关系及运动Jacobi关系为基础,建立了控制设计所需的系统状态方程及控制输出方程．此后,在Lyapunov函数的选取上采取分两级采取的方式,即初级Lyapunov函数确保滑移铰空间机器人的末端抓手从初始位置运动到指定的终点位置,次级Lyapunov函数则确保末端抓手避开工作空间中的障碍区域;两级合成则使空间机器人的末端抓手既实现了指定的位置移动又避开了障碍区域．系统数值仿真,证明了方法的有效性．     

空间机器人的目标捕获自适应控制

首先推导了基座姿态受控空间机器人系统运动学关系,得到了广义雅可比矩阵。根据目标的运动来规划机械臂末端在惯性空间的期望轨迹。对机器人动力学和运动学关系式进行线性参数比,分别对动力学待估参数和运动学待估参数设计在线修正律,在关节空间采用自适应控制。对于存在动力学参数不确知的机器人系统,算法保证了系统的渐近稳定,在成目标捕获任务的同时,控制基座姿态保持在期望范围之内。以平面两关节空间机器人系统为对象进行了仿真,结果表明了算法的可行性和有效性。     

载体姿态无扰动的空间机械臂路径规划

载体姿态无扰动的空间机械臂路径规划顾晓勤,刘延柱（上海交通大学工程力学系,２０００３０）关键词空间机械臂,路径规划,Ｌｙａｐｕｎｏｖ方法,Ｐｏｎｔｒｙａｇｉｎ极值原理空间机械臂工作期间系统处于自由漂浮状态,机械臂的相对运动必将引起载体位姿的变化．因此...     

Optimal trajectory planning of free-floating space manipulator using differential evolution algorithm

The existence of the path dependent dynamic singularities limits the volume of available workspace of free-floating space robot and induces enormous joint velocities when such singularities are met. In order to overcome this demerit, this paper presents an optimal joint trajectory planning method using forward kinematics equations of free-floating space robot, while joint motion laws are delineated with application of the concept of reaction null-space. Bézier curve, in conjunction with the null-space column vectors, are applied to describe the joint trajectories. Considering the forward kinematics equations of the free-floating space robot, the trajectory planning issue is consequently transferred to an optimization issue while the control points to construct the Bézier curve are the design variables. A constrained differential evolution (DE) scheme with premature handling strategy is implemented to find the optimal solution of the design variables while specific objectives and imposed constraints are satisfied. Differ from traditional methods, we synthesize null-space and specialized curve to provide a novel viewpoint for trajectory planning of free-floating space robot. Simulation results are presented for trajectory planning of 7 degree-of-freedom (DOF) kinematically redundant manipulator mounted on a free-floating spacecraft and demonstrate the feasibility and effectiveness of the proposed method.     

基于偏置角动量的欠驱动航天器姿态保持控制

对有扰情况下欠驱动航天器三轴姿态保持控制问题进行了研究,提出一种基于俯仰偏置动量轮和滚动轴推力器的姿态保持控制方法。该方法基于偏置动量航天器滚动-俯仰轴耦合的原理实现,避免了欠驱动零动量航天器平衡点附近欠驱动轴耦合弱的问题;将航天器的姿态运动分为长周期运动和短周期运动,用极点配置方法进行控制律设计,给出保证系统稳定的参数选取范围,求出了系统稳态误差。最后,通过数值仿真验证了所设计的控制器不但能快速消除初始姿态偏差,而且能抵抗外干扰将航天器姿态保持在平衡点附近。     

基于角动量空间的SGCMGs姿态控制策略

针对单框架控制力矩陀螺（SGCMGs）的奇异问题,旨在建立一种基于角动量空间而非力矩空间的SGCMGs姿态控制策略,从根源上解决SGCMGs的操纵奇异,且不失其敏捷特性.由于此控制方案的动量管理环节需要另外一套动量交换机构参与,故引入反作用飞轮（RWs）组成混合执行机构,同时RWs可在机动末端用于高精度姿态稳定.针对双平行SGCMGs,采用特征轴时间最优路径进行角速度规划,并基于角动量空间设计控制策略.同时,针对一个陀螺失效的情况设计了相似的角动量控制算法.仿真结果表明,采用角动量控制律不涉及奇异问题,且敏捷性与稳定性良好.     

考虑框架伺服特性时SGCMG系统操纵律设计

在单框架控制力矩陀螺(SGCMG)系统操纵律的设计中,通常假定框架伺服系统具有理想的伺服跟踪性能.然而,框架伺服系统有限的带宽和实际存在的各种扰动力矩都会使其跟踪性能下降.为抑制SGCMG框架伺服特性对操纵性能的影响,设计了一种新型操纵律.该操纵律综合考虑了SGCMG系统运动学和动力学特性,可以根据航天器姿态控制给出的角动量(或力矩)指令,直接计算出每个SGCMG框架驱动系统所需的控制力矩.由于操纵律没有算法奇异,在SGCMG系统不出现运动奇异的情况下,可使操纵误差指数收敛至零.同时,操纵律形式简单,易于实现.应用在航天器上的某4-SGCMG系统的仿真结果表明,上述操纵律是可行的.      

基于动态流体扰动原理的三维滚动航路规划

针对复杂环境中存在运动目标、移动威胁与突发威胁等多种情况,将动态流体扰动算法与滚动优化策略相结合,进行无人机(UAV)三维动态航路规划.基于移动目标运动信息与威胁运动信息引入相对初始流场,用扰动矩阵量化表示障碍物或威胁对相对初始流场的扰动影响,计算相对扰动流场,进而得到实际流场流线即无人机规划航路.充分利用实时环境信息,综合考虑未来运动态势,在有限时域内采用动态流体扰动算法规划出可选航路,然后构建目标函数,滚动优化反应系数,实现在线航路规划.仿真结果表明,该算法能较好地适用于复杂动态环境.      

基于极点配置的空间站角动量管理

针对惯性系下引力梯度力矩及其他干扰力矩引起控制力矩陀螺（CMG）角动量积累的问题,采用引力梯度力矩来平衡姿态,设计了基于极点配置的空间站角动量管理控制器。首先在惯性系下建立了空间站线性化模型,并分析了俯仰轴方向在惯性系角动量管理的不可行性。由此,将俯仰轴与滚动/偏航轴解耦,不约束俯仰轴方向的CMG角动量,将常值、1倍和2倍于轨道频率的扰动纳入状态方程以抑制其对俯仰轴姿态的影响。在滚动/偏航轴方向将常值扰动纳入状态方程中以抑制其对CMG角动量的影响;将1倍、2倍于轨道频率的扰动纳入到状态方程中以抑制其对姿态的影响。然后采用带极点配置的线性二次型（LQR）算法求解出反馈增益矩阵,该算法可以避免选取权重矩阵,并且根据系统性能要求即能将闭环极点配置到复平面虚轴左侧指定的区域。最后仿真结果验证了该算法的可行性。      

空间机器人动力学建模与模型验证

建立带任意节机械臂的空间机器人动力学模型,并验证了模型的正确性．采用Kane方程建立了各体间转铰具有三自由度的空间多体系统的动力学模型,利用投影算子将所建立的模型退化为各节机械臂间具有单自由度转铰连接的空间机器人动力学模型,依据动力学三大基本定理,即动量定理、动量矩定理、动能定理设计了模型验证方案,通过数学仿真验证了所建立模型的正确性．