基于主任务零空间的空间机械臂重复运动规划

针对空间机械臂执行封闭在轨操作任务时,终止时刻机械臂关节角与基座位姿发生漂移的问题,提出一种基于主任务零空间的空间机械臂重复运动规划方法。结合在轨操作任务特点,分析了空间机械臂重复运动要求,将重复运动问题转化为关节构型、末端姿态与基座姿态复位优化问题并设计了空间机械臂重复运动优化算子;在此基础上,引入任务优先级概念,将重复运动优化算子引入主任务的零空间,保证主任务完成的同时机械臂重复运动得以优化;进而为增强重复运动优化能力,空间机械臂基座姿态保持算子也被引入。仿真结果表明,新算法能够减小关节角与基座位姿的漂移,实现空间机械臂重复运动规划,可以应用于实际的控制系统中。     

空间冗余机械臂零反作用最优路径规划

自由漂浮空间机械臂运动通过力传递会对其载体航天器产生反作用力和力矩,从而影响基座和末端执行器的位置与方向。利用冗余机械臂的反作用零空间,求解对基座航天器姿态零干扰的机械臂运动规律的解析解。给定机械臂初始和终端状态,考虑最大关节角约束和最大关节角加速度约束,分别针对时间最优和沿整个运动路径关节加速度最小的问题,采用高斯伪谱法,在零反作用轨迹解集中寻找满足约束方程的最优解。所得最优解使得机械臂在达到期望构型的同时不影响基座姿态。将算法用于平面3自由度冗余机械臂系统中,仿真结果表明:算法在保证基座姿态稳定的同时,关节运动满足给定的约束条件,从而验证了算法的有效性。     

空间机器人抓捕碰撞分析与轨迹规划镇定控制

针对空间机器人抓捕目标过程中产生的碰撞冲击问题,分析了抓捕瞬态碰撞对机器人系统产生的影响,提出了一种控制力矩能量消耗少、对卫星平台基座扰动小的镇定控制方法,实现了对抓捕目标后组合体系统的镇定控制。首先,利用Kane方法建立了抓捕后的目标-机械臂-卫星平台组合体动力学模型;其次,利用ADAMS软件分析了瞬态碰撞冲击对空间机器人系统的影响,为后续镇定控制策略的设计提供初始仿真参数;采用四次多项式实现了机械臂关节空间轨迹的参数化,设定了基于控制力矩能量与基座扰动的加权目标函数,利用差分进化算法(DE)求解得到满足控制力矩能量消耗小、平台基座扰动少的机械臂关节空间轨迹。最后,利用七自由度空间机器人的数值仿真,验证了所提出方法的有效性。     

自由飞行空间机器人基座位姿调整的模糊PD控制

由于自由飞行空间机器人处于微重力的环境,因此其在目标获取的过程中必然会出现因机械臂运动和环境影响而导致基座的复杂运动.本文设计了自由飞行空间机器人位姿调整的模糊PD算法,根据接收到的实时位置信息,空间机器人可以自主地调整基座的姿态和位置来校正位姿误差,保证目标的稳定捕获.利用开发的实验平台与传统的on/off式控制器进行了实验对比,验证了此方法在稳定性、控制精度和燃料消耗上都有较好的表现.     

空间机器人动力学奇异回避的笛卡尔轨迹规划

针对空间机器人动力学奇异的回避问题，提出一种基于组合函数的笛卡尔轨迹规划方法。将梯形规划与正弦函数相结合，对机械臂末端的位姿进行参数化。机械臂沿着某一轨迹运动时，根据阻尼最小方差法(DLS)的特点，提出一种判断是否发生动力学奇异的方法，并据此进行轨迹规划。该方法可以保证空间机械臂运动过程中不会遇到动力学奇异。此外，将基座姿态扰动和机械臂运动时间作为目标函数的一部分，最终，轨迹规划问题转化为多目标优化问题，并利用混合整数规划的混沌粒子群优化算法(CPSO)进行求解。该优化算法能够改善标准粒子群算法(PSO)的“早熟”现象。仿真结果表明，新方法能够有效处理动力学奇异问题，减小基座姿态扰动及运动时间。     

平面型两关节空间机器人的自适应轨迹控制

基于参数线性分离方法，得到了平面型两关节空间机器人线性参数化形式的动力学模型，这种模型非常适合于采用自适应控制方法。控制策略考虑了机器人各关节之间的耦合及机械臂与基座航天器之间的耦合，对航天器姿态的控制和机械臂的控制进行综合，在满足手端跟踪期望轨迹的同时，保证航天器姿态基本不变。控制器由一个PD反馈项和一个补偿动力学不确定性的非线性自适应反馈项构成，能够保证对期望关节轨迹的全局渐进跟踪，提高了空间机器人操作的适应性和安全性。     

航天器姿态机动的鲁棒自适应控制器设计

针对存在未知惯量矩阵和外干扰力矩的刚体航天器姿态机动问题,将自适应反步法与非线性阻尼算法结合起来,提出了一种鲁棒自适应控制器。所设计的控制器实现了对航天器惯量参数的估计,克服了外干扰力矩引起的不确定性,保证了闭环系统的所有状态是全局一致最终有界的,使得航天器姿态机动误差收敛到系统平衡点的一个较小邻域。最后在Matlabs Simulink环境下对航天器姿态机动系统进行了仿真研究,仿真结果表明了提出的控制算法处理航天器姿态机动问题的有效性和可行性。     

空间机械臂自适应扩展雅克比零反作用控制

针对自由漂浮空间机械臂执行在轨服务(On Orbit Servicing, OOS)时对基座姿态的扰动问题,设计了一种基于扩展雅克比矩阵的自适应零反作用运动控制器。通过巧妙利用角动量守恒定律,解决了广义雅克比矩阵的非线性参数化问题。基于此,将运动学不确定性和动力学不确定性都考虑在内,采用李雅普诺夫稳定性分析工具,得到了自适应零反作用运动控制器,可以同时实现航天器姿态调节和机械臂末端执行器对任务空间中期望轨迹的跟踪,并且不需要测量机械臂末端执行器的速度。仿真结果表明了本文所提算法的有效性。     

自由漂浮空间机器人最小基座反作用轨迹规划

在自由漂浮空间机器人系统中,由于机械臂与基座之间存在动力学耦合,机械臂运动会对基座产生不期望的反作用干扰,因此必须最小化基座反作用。为此,提出了一种关节空间内点对点轨迹规划的方法。首先,利用sin函数参数化关节轨迹;然后根据基座反作用和运动约束定义适应函数;最后利用混沌粒子群优化(CPSO)算法搜索空间机械臂的全局最优轨迹,使基座反作用最小。该方法考虑了机械臂的关节角、关节速度和加速度约束。给出一个仿真算例来验证该方法的有效性。规划的轨迹连续平滑,适用于多自由度空间机械臂。     

升力式再入飞行器非最小相位级联姿态控制

针对具有非最小相位特性的升力式再入飞行器的姿态控制问题,设计了一种基于干扰观测器的动态逆预测级联姿态控制器。提出了"外界输入控制外部状态,外部状态偏差控制内部状态"的级联控制策略。在内部状态回路中,利用模型预测控制器的最优性,以较小的控制量镇定内部状态到有界范围;在外部状态回路中,采用动态逆控制器将输出偏差镇定在内回路所需控制量上,并加入干扰观测器来消除再入过程中的建模不确定性,进而实现飞行器姿态的稳定跟踪输出。数值仿真结果表明,该级联控制策略能够有效地解决具有非最小相位特性的模型指令跟踪问题。Monte Carlo数值仿真结果表明,在建模不确定性存在的情况下,该级联姿态控制器具有良好的鲁棒性。     

从地球到日-火系平动点轨道的转移

平动点轨道特殊的空间位置及动力学特征,使其在深空探测中具有重要的应用。以日-火系平动点轨道(Lissajous与Halo轨道)任务为目标,结合平动点轨道的不变流形理论,研究了小推力转移问题。首先给出了圆型限制性三体动力学模型下平动点附近不变流形(稳定和不稳定流形)高阶分析解以及相应的计算实例。接着以流形分析解为基础,建立了初始小推力轨道优化模型,并利用改进的协作进化算法求解初始小推力轨道。最后将初始轨道离散,采用多点打靶法将最优控制问题转化为参数优化问题,并用序列二次规划方法(SQP)求解。仿真结果证明轨道设计方法的有效性。     

重力梯度对自由漂浮空间机器人姿态扰动分析

分析重力梯度对在轨运行的自由漂浮空间机器人姿态运动影响。由Lagrange方法建立自由漂浮空间机器人受重力梯度扰动的非线性动力学模型。首先,考虑无控关节自由状态,分析重力梯度对关节运动的影响。其次,利用相平面轨迹分析重力梯度对自由漂浮系统姿态运动影响。最后,由速度偏差曲线分析重力梯度对机械臂的影响。结果表明,当作用时间接近轨道周期或更长时,重力梯度引起的关节偏差已十分显著,且这种扰动作用主要由轨道偏心率决定;关节锁定时俯仰姿态受扰运动有周期振动与翻滚两种形式,若初始角速度满足一定限值可以保证俯仰运动不发生翻滚;当机械臂长时间工作时,忽略重力梯度将产生明显的末端定位误差。     

Sensitivity analysis of flexible joint nonholonomic wheeled mobile manipulator in singular configuration

This paper proposes a method for decreasing jerk and increasing Maximum Allowable Load (MAL) of nonholonomic Wheeled Mobile Manipulator (WMM) considering flexibility of joints in singular conditions. The full dynamic model of nonholonomic WMM contains simultaneous operation of mobile base and manipulator with joint flexibility (in wheels and manipulator) which is presented here. The problem is formulated in terms of the optimal control which leads to a two point boundary value problem. Then Sobol's sensitivity analysis method is applied to determine the optimal values of flexible joint constants subject to the jerk minimization. To illustrate the proposed method, two categories of conditions are considered: conditions containing non-singular configuration and the singular conditions. An example is explained for non-singular condition of nonholonomic WMM in presence of obstacle in which a complex path is generated but there is no singularity in robot configuration. Some examples of occurring singular configuration in final point and moving boundary condition is also presented. The results show that flexibility of the joints near to singular configuration normalizes the sudden movement and jerk implied to actuators. That is why using a rotational spring with a low stiffness coefficient could be helpful to decrease the high jerk and increase the maximum allowable load in mobile robots.     

基于多相机的空间机械臂视觉系统

视觉系统是空间机械臂的重要组成部分,空间机械臂除开环控制外的所有工作模式都不能离开视觉系统的引导和辅助而独立实现。文章以建立满足空间机械臂实际应用需求的视觉系统为目标,提出通过分布在不同空间位置的多个相机的协同工作扩展并增强视觉系统的监视和测量能力,并从系统组成、工作模式、测量方式等多方面完成空间机械臂视觉系统方案设计。仿真试验结果表明,目标三维位姿的测量误差与视觉标记点检测结果的误差近似成线性关系,视觉标记点检测的准确性对目标位姿测量的精度具有重要影响。室内环境试验结果表明,在视觉系统的引导下机械臂能够自主完成对目标的定位和捕获,视觉系统满足空间机械臂大范围运动和精准操作任务的应用需求。     

Dynamics and control of an orbiting flexible mobile manipulator

This paper presents a Lagrangian formulation for studying the dynamics and control of the proposed Space Station based Mobile Servicing System (MSS) for a particular case of inplane libration and maneuvers. The simplified case is purposely considered to help focus on the effects of structural and joint flexibility parameters of the MSS on the complex interactions between the station and manipulator dynamics during slewing and translational maneuvers. The response results suggest that under critical combinations of parameters, the system can become unstable. During maneuvers, the deflection of the MSS can become excessive, leading to positioning error of the payload. At the same time the libration error can also be significant. A linear quadratic regulator is designed to control the deflection of the manipulator and maintain the station at its operating configuration.     

限制性四体问题中的时间相关不变流形

借助有限时间Lyapunov指数（FTLE）定义了拉格朗日拟序结构（LCS）,并将LCS作为不变流形的替代物。针对日-地-月双圆模型（BCM）,利用LCS研究了限制性四体问题（R4BP）中的时间相关不变流形（TDIM）的性质。采用数值方法验证了TDIM是运动分界面和轨道不变集。继而,利用二分法对给定Poincare截面上的LCS进行了精确提取,通过一系列等能量面上的LCS描绘出TDIM在给定截面上的构形。最后,借助TDIM,初步研究了低能奔月轨道在非自治系统BCM中的直接构建。     

Design of transfer trajectories between resonant orbits in the Earth–Moon restricted problem

The application of dynamical systems techniques to mission design has demonstrated that employing invariant manifolds and resonant flybys enables previously unknown trajectory options and potentially reduces the ΔV$\mathrm{\Delta }V$ requirements. In this investigation, planar and three-dimensional resonant orbits are analyzed and cataloged in the Earth–Moon system and the associated invariant manifold structures are computed and visualized with the aid of higher-dimensional Poincaré maps. The relationship between the manifold trajectories associated with multiple resonant orbits is explored through the maps with the objective of constructing resonant transfer arcs. As a result, planar and three-dimensional homoclinic- and heteroclinic-type trajectories between unstable periodic resonant orbits are identified in the Earth–Moon system. To further illustrate the applicability of 2D and 3D resonant orbits in preliminary trajectory design, planar transfers to the vicinity of L₅ and an out-of-plane transfer to a 3D periodic orbit, one that tours the entire Earth–Moon system, are constructed. The design process exploits the invariant manifolds associated with orbits in resonance with the Moon as transfer mechanisms.     

Target berthing and base reorientation of free-floating space robotic system after capturing

Space robots are playing an increasingly important role in on-orbital servicing, including repairing, refueling, or de-orbiting the satellite. The target must be captured and berthed before the servicing task starts. However, the attitude of the base may lean much and needs re-orientating after capturing. In this paper, a method is proposed to berth the target, and re-orientate the base at the same time, using manipulator motion only. Firstly, the system state is formed of the attitude quaternion and joint variables, and the joint paths are parameterized by sinusoidal functions. Then, the trajectory planning is transformed to an optimization problem. The cost function, defined according to the accuracy requirements of system variables, is the function of the parameters to be determined. Finally, we solve the parameters using the particle swarm optimization algorithm. Two typical cases of the spacecraft with a 6-DOF manipulator are dynamically simulated, one is that the variation of base attitude is limited; the other is that both the base attitude and the joint rates are constrained. The simulation results verify the presented method.