空间机器人抓捕目标星碰撞前构型优化

空间双臂机器人抓捕目标星会导致碰撞,针对碰撞引起机器人系统基座姿态变化的问题,提出一种基于粒子群算法的碰撞前构型优化方法。该方法首先给出了碰撞前和碰撞后的动力学模型,然后根据冲量-动量方程推导出碰撞阶段动力学方程,最后提出基于粒子群算法的最优碰撞前构型规划数值方法,使碰撞对机器人系统角动量的影响尽量小。通过计算校验了该方法的有效性,找到了用于空间机器人抓捕目标星的较理想的碰撞前构型。     

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。     

空间绳系机器人抓捕非合作目标的质量特性参数辨识

针对空间绳系机器人抓捕非合作目标/空间垃圾后需要对其进行回收/拖曳的精确控制问题,提出了一种利用抓捕后保持阶段的振动特性辨识目标参数的方法。首先,根据质量特性参数辨识的需要,推导了系统的动力学模型。不同于以往将本体卫星和被抓捕目标简化为质点的动力学模型,本文针对任意的目标抓捕位置,在考虑重力梯度影响的基础上,利用拉格朗日法获得系统各广义坐标的动力学公式。然后,分析非合作目标和系绳在后抓捕保持阶段的姿态运动。最后,在非合作目标与本体卫星没有任何信息交互的情况下,利用后抓捕阶段目标卫星和系绳特有的振动,并使用具有鲁棒性可遗忘因子的递推最小二乘法,提出了包括转动惯量和质心到任意抓捕点距离在内的质量特性参数辨识算法。     

多臂空间机器人的视觉伺服与协调控制

针对多臂空间机器人自主目标抓捕任务，首先建立多臂空间机器人的运动模型和其与目标的相对运动模型，采用Kane方法建立多臂空间机器人的动力学模型；其次，研究基于视觉伺服的机械臂在线轨迹规划算法，并引入零反作用机动，消除机械臂运动对平台姿态的扰动；再次，在不使用零反作用机动功能时，分别使用基于角动量前馈补偿的协调控制算法和逆动力学方法设计了协调控制器，在机械臂运动时保持平台姿态和相对目标的位置。最后，开发了基于Matlab的仿真软件MASS（多臂空间机器人仿真），仿真结果校验了上述方法的有效性。     

辐射开环空间绳系机器人编队动力学及控制

提出了一种新型辐射开环空间绳系机器人编队系统,其在编队稳定性、任务灵活性及燃料消耗等方面具有明显的优势。针对辐射开环空间绳系机器人编队系统自旋运动过程中的构型误差控制问题,首先建立了编队系统的自旋动力学模型;然后分析了空间绳系机器人的绳系拉力和空间平台的自旋扭矩对编队系统自旋运动中出现的构型误差的控制能力;设计了一种依靠空间绳系机器人绳系拉力和空间平台自旋扭矩作为控制量,对构型误差进行控制的协调控制方法;最后通过数字仿真进行了校验和分析。仿真结果表明：设计的协调控制方法能够明显改善编队系统自旋运动中构型误差的控制效果。     

空间机器人神经网络自适应滑模目标操控轨迹跟踪控制

针对参数未知的空间目标操控问题，考虑空间机器人负载不确定性、系统动力学不确定性和环境扰动等因素，为实现操作过程的稳定控制及机器人轨迹的有效跟踪，提出一种基于径向基神经网络估计不确定项的自适应增益非奇异终端滑模变结构控制器。首先基于拉格朗日法建立空间机器人的刚体动力学模型。考虑空间机器人基座姿态主动控制模式，使用径向基神经网络对模型中的不确定项进行估计。进而提出基于神经网络估计的非奇异终端滑模控制器，并针对不确定性和扰动的估计误差设计自适应增益，以期实现空间机器人系统轨迹跟踪控制的收敛。仿真校验结果表明所设计的控制方法具有较好的误差收敛速度和控制精度。     

空间操作中的灵巧飞行控制方法

空间操作中的灵巧飞行控制是指通过模仿生物的决策与运动方式,采用多种执行机构相互配合协调控制完成空间操作任务,在任务过程中能够进行实时决策且各项性能指标均能达到最优。文章引入灵巧控制的思想,提出了一种灵巧飞行控制方法。按照生物运动协调的方式,采用冗余执行机构各取所长协同配合,利用计算智能结合人类智慧完成对失效卫星的接近轨迹规划,实现抓捕过程中可达性、精准性、敏捷性、平顺性与鲁棒性的全优。采用神经网络完成对轨迹规划结果的学习,将规划和控制合二为一。对失效卫星的跟瞄、接近和捕获过程仿真表明:采用传统规划与控制方法的服务卫星无法在失效卫星状态突变时完成抓捕,而采用灵巧飞行控制方法的服务卫星,在失效卫星翻滚状态发生突变时能进行快速决策,成功对失效卫星进行捕获,且接近抓捕过程的性能指标比失效卫星翻滚状态未突变时几乎没有损失,从而验证了灵巧飞行控制方法的可行性和有效性。     

自由飞行空间机器人的运动学建模研究

空间机器人将在未来的空间项目中发挥重要的作用。但在空间环境中，由于缺乏一个固定的基座，机械臂的运动会对机器人本体的位置和姿态产生扰动，其运动学将变得很复杂。为建立自由飞行空间机器人的运动学模型，通常是将系统的动量表达为某个预先选定连杆的速度的函数，进而得到具有广义雅可比矩阵形式的运动学模型。这种方法的缺点是系统的动量无法以通用表达式描述，并且对如何最优选取连杆也缺乏必要的说明和讨论。本文对此进行了研究，得到了自由飞行空间机器人系统动量的通用表达式；通过选取相应的连杆，得到了具有广义雅可比矩阵形式的运动学模型；也分析和讨论了连杆优选问题。     

自由飘浮空间机器人地面实验系统

针对空间机器人的运动的地面模拟,基于运动学等效原理提出一种用固定基座机器人模拟空间机器人运动的方法。运用该方法,在地面用两个基座固定的六自由度工业机器人组建了一套空间机器人的地面模拟系统。应用该系统成功模拟了自由飘浮空间机器人捕获自由运动目标的运动,实验结果证明了该方法的有效性。
     

安全约束下的空间翻滚目标涡流消旋稳定控制

针对空间翻滚目标涡流消旋任务执行效率低和抵近安全无保证的问题，首先基于椭球包络法给出了服务星机动轨迹的直接线性凸化安全约束，以确保机动过程的安全性和最优轨迹跟踪问题的有限时间可解性；设计了垂直构型下空间消旋任务的抵近期望轨迹以增强服务星消旋力矩的作用强度，缩短任务周期。在此基础上，提出了一种反馈线性化的收缩模型预测控制(FLC MPC)算法，有效跟踪所提出的期望轨迹，并严格保证安全约束及控制输入约束下受控系统的稳定性。最后，利用所提出的控制方法对阿丽亚娜 4火箭上面级进行消旋仿真，结果表明该方法能有效提高消旋效率，并保证服务星的安全稳定。     

旋转失效卫星的运动观测及消旋接触方案设计

以旋转失效卫星的消旋为研究背景,提出一种双重光流约束的特征点运动跟踪识别方法。该方法利用双目视觉,可实现对非合作旋转失效卫星的运动观测,并为机械臂消旋操作提供接触方案。首先,跟踪识别序列图像中稳定存在的特征点并记录其轨迹,采用频域分析的方法检测特征点轨迹的变化频率,从而获取目标旋转角速度,通过地面物理实验,验证所提目标运动观测的有效性;随后,利用特征点轨迹分析目标的运动包络与适宜接触区域,并根据目标运动特性和接触消旋的时间约束,给出完成消旋的接触强度约束,继而得到机械臂的操作性能需求,为接触式消旋的工程实践提供参考。     

空间机械臂非完整运动规划的遗传算法研究

带空间机械臂航天器系统在无外力矩作用时，系统相对于总质心的动量矩守恒而变为非完整系统。由于非完整约束的不可积性，非完整系统的运动规划与控制比一般系统要困难得多。现利用非完整特性研究了自由漂浮空间机械臂的三维姿态运动控制问题。首先导出带空间机械臂的航天器三维姿态运动数学模型，并将系统的控制问题转化为无漂移系统的非完整运动规划问题。在运动规划中，根据最优控制原理和优化理论，提出基于遗传算法的最优运动规划数值算法。通过数值仿真，表明该方法对空间机械臂及航天器三维姿态运动的非完整运动规划是有效的。     

Asymptotic study of a complete magnetic attitude control cycle providing a single-axis orientation

The angular motion of an axisymmetrical satellite equipped with the active magnetic attitude control system is examined. Attitude control system has to ensure necessary orientation of the axis of symmetry in the inertial space. It implements the following strategy: coarse reorientation of the axis of symmetry with nutation damping or “-Bdot” without initial detumbling; spinning-up about the axis of symmetry to achieve the property of a gyro; fine reorientation of the axis in the inertial space. Dynamics of the satellite is analytically studied using averaging technique on the complete control loop consisting of five algorithms. Solutions of the equations of motion are obtained in terms of quadratures for most cases or even in closed-form. The latter allowed to study the dependence of motion parameters including time-response with respect to the orbit inclination and other parameters for all algorithms.     

考虑在轨运动可靠性的空间机械臂关节力矩优化方法

提出一种考虑在轨运动可靠性的冗余度空间机械臂关节力矩优化方法。首先将机械臂操作空间中点到点的转移任务从笛卡尔空间转换至关节空间,利用七次多项式插值法对各关节变量进行参数化处理,获得粒子群算法的优化控制参数;与传统路径规划方法不同,将机械臂各关节力矩的均值和最小作为粒子群算法优化求解的目标函数;依据该目标函数以及相应优化控制参数,利用粒子群算法对空间机械臂运行轨迹进行优化求解,得到机械臂关节力矩均值和最小的运行路径。仿真实验表明,相比传统路径规划方法及以关节力矩二范数为目标函数的关节力矩优化方法,在降低冗余度空间机械臂关节力矩均值方面,文中方法分别减小了33.57%和10.47%;在降低关节力矩最大值方面,分别减小了43.25%和6.19%。     

Attitude controller design for orbital target tracking of geostationary satellite under avoidance constraint

A coordinated attitude control problem is addressed for which a geostationary satellite should maintain communication with a ground station while simultaneously tracking space objects. The coordinated attitude control discussed in this study is related to the attitude maneuvers of a tracking satellite and to the orbital motion of targets placed in orbits of lower altitudes. Modified Rodrigues parameters are employed to avoid singularities even in the presence of large attitude maneuvers. The initial attitude error is calculated based upon an arbitrary initial configuration for the target tracking, so that a sequential tracking from one to another target can be achieved easily. Additionally, avoidance maneuvers aimed at protecting sensitive onboard sensors from the Sun and the Moon are designed using the so-called navigation function. When the avoidance areas are on the transient path due to the coordinated attitude maneuver command, the maneuver is performed with no violation against the given constraint areas by adopting the navigation function.     

带柔性伸杆小卫星振动控制的半物理仿真实验

在空间探测任务中,为了避免卫星平台剩磁对空间待测信息的干扰影响,需采用轻质的伸杆机构支撑各类探测载荷远离卫星本体,而伸杆的弹性振动不可避免地会耦合作用到卫星本体,从而降低卫星本体的姿态控制精度和稳定度。针对此问题,提出了一种基于伸杆最优指令整形结合本体自适应扰动抑制滤波器的复合振动控制策略,即采用指令整形技术抑制柔性伸杆的弹性振动,同时设计自适应扰动抑制滤波器进一步抵消柔性伸杆残余振动对本体的干扰影响,最后在搭建的半物理仿真实验平台上对控制方法进行了实验验证。结果表明：此方法在有效抑制柔性伸杆残余振动的基础上,通过干扰抵消和抑制的控制策略可显著提高此类航天器的姿态控制精度和稳定度。     

目标捕获后航天器组合体的角动量转移与抑振规划

针对失稳目标捕获后航天器组合体的位姿调整与稳定问题，提出一种组合体角动量转移与振动抑制复合规划方法。首先建立了同时考虑了空间机械臂、目标卫星太阳翼、服务卫星太阳翼等柔性构件的航天器组合体动力学模型。然后提出角动量转移优化方法，规划机械臂最终构型，保证组合体相对稳定后的角速度最小；基于粒子群算法设计了机械臂最优抑振轨迹规划方法，抑制角动量转移过程中的机械臂和太阳翼的柔性振动。最后通过数值仿真验证了规划方法的有效性。仿真结果表明，该方法能够有效实现组合体的角动量转移，并显著降低组合体的柔性振动，具有工程实用性。     

双臂自由飞行空间机器人的姿态控制方案

自由飞行空间机器人的姿态控制可考虑利用反作用轮或反作用喷气装置以机器人本体姿态不变，但这种方法存在的最大问题是消耗燃料，直接影响机器人的轨道寿命，同时对系统产生振动而导致系统不稳定，为此本文提出了另一种新的方案，即基于受限最小干扰图的姿态控制方案。这种方案不使用反作用轮或反作用喷气装置，而通过规划机械手末端的运动轨迹，使机器人的本体姿态在机械手动作过程中基本保持不变。为验证本文提出的姿态控制方案的     

欠驱动余度机械臂的非完整冗余特征研究

欠驱动技术在航天领域有重要应用价值。针对空间机器人系统,研究了欠驱动冗余度机械臂的"非完整冗余"特征和无碰撞路径最优运动规划方法。这种系统对于给定的机械臂末端位姿,其冗余特征不便通过传统意义上的运动学"自运动"来刻画,但是因机构自由度数大于工作空间维数,系统的冗余特征可通过动力学水平的控制体现出来。基于李雅普诺夫方法,提出一种欠驱动冗余度机械臂的无碰撞路径最优规划方法,揭示了这种机器人系统的"非完整冗余"特征,通过平面3连杆机械臂进行了仿真。