控制力矩陀螺驱动的空间机器人轨迹跟踪控制

提出一种新的空间机器人设计概念,并研究其轨迹跟踪控制问题.系统中的各机械臂以自由球铰连接,在机器人平台和每节机械臂上均安装有一组控制力矩陀螺（CMGs,Control Moment Gyroscopes）作为控制力矩执行机构.采用改进的罗格里得斯参数（MRPs,Modified Rodrigues Parameters）描述平台和各节机械臂的姿态,利用Kane方程建立了系统的动力学模型.在此基础上,用逆动力学方法设计了系统的轨迹跟踪控制律,用以实现卫星平台的位置/姿态和机械臂末端作用器位置的轨迹跟踪控制.采用带有零运动的CMGs操纵律以使CMGs准确输出力矩并回避构型奇异.基于两关节机械臂系统和金字塔构型CMGs的数值仿真结果验证了所设计的控制律和操纵律的有效性,以及自由球铰连接方式在提高末端作用器运动自由度和降低系统动力学耦合方面的优越性.      

自由漂浮空间机器人的运动学分析及仿真

自由漂浮空间机器人与地面机器人最大的区别是其末端执行器的运动不仅仅和各个关节的运动有关,而且与各个连杆、基座的质量分布及其运动轨迹紧密相关.因此,自由漂浮空间机器人的运动学与其动力学是密不可分的.运用螺旋理论、动量守恒定律对这样的机器人系统进行分析,得到了包含系统质量在内的运动雅可比矩阵,并给出了系统运动的图形仿真结果.     

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.      

自由虚拟实景空间的构造

使用基于图像的绘制技术构造虚拟实景空间是目前虚拟现实领域研究的热点. 如何扩大自由度是虚拟实景空间需要解决的关键问题.自由虚拟实景空间是能够自由操纵的 虚拟实景空间. 提出同心球拼图的方法构造自由虚拟实景空间,能满足用户在自由漫游时俯 视和仰视的需要.另外在自由虚拟实景空间中引入超链的思想,通过对虚拟空间中虚拟对象 进行有效的组织,为用户提供丰富的空间操纵能力.试验结果表明,用户在自由虚拟实景空 间中能够自由地操纵虚拟空间.      

空间冗余度机器人混沌自运动研究

建立了空间自由飘浮冗余度机器人的模型和运动学方程,分析了其Jacobian矩阵,得出相应的运动学逆解,通过仿真验证了空间自由飘浮冗余度机器人自运动中存在混沌运动,利用混沌分析的直接观察法、时间历程法、相图法和poincare映射法,对一个空间3R刚性冗余度机器人,采用PD控制器控制其末端执行器重复跟踪工作空间内一平面路径时连杆的自运动进行了研究.结果表明,该机器人的自运动存在混沌运动.     

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.      

基于多层感知器神经元的空间柔性机器人位置跟踪控制

针对基体位置及姿态均不受控的自由漂浮柔性空间机器人轨迹跟踪问题,提出了一种前馈多层感知器(MLP)神经网络控制策略.建立了末端柔性的自由漂浮基机器人的耦合动力学模型,再利用MLP神经网络良好的逼近能力来自适应补偿非线性柔性臂的逆动力学模型,其误差代价函数由PID控制器提供,权重及阀值的调整采用改进的BP反传算法.最后通过仿真比较详细分析了所提方案的工作机理及对非线性强耦合系统控制的有效性.     

在轨空间机器人参数辨识研究

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。     

空间机器人遥操作关键技术综述与展望

空间机器人的遥操作是空间机器人操作过程的重要组成部分.对遥操作的基本概念和空间机器人遥操作的基本特性作了初步分析,介绍了空间机器人遥操作的现状以及国际上一些典型的在轨遥操作任务,对各个任务的技术特点进行了总结,归纳了遥操作技术的关键技术,对图形预测仿真遥操作、力反馈双边控制以及地面验证等关键技术的研究现状进行了介绍.最后,对空间机器人遥操作的发展趋势进行了展望.     

空间机器人柔性臂动力学模糊控制的研究

重点研究了在空间机器人柔性臂的动力学非线性控制问题,由于柔性臂动力学系统的强非线性和耦合性,使得柔性臂控制系统复杂,控制的实时性和稳定性差,本文针对以往柔性臂控制所存在的问题,综合考虑系统的动态和静态特性,提出了一种带有非线性补偿器及ＰＩＤ控制器的柔性臂模糊复合控制方案,然后,根据所推导了一两连杆的空间机器人柔性臂的这非线性模型,进行了系统控制的仿真研究,实例仿真的结果表明,该控制方案能有效地抑制     

空间机械臂地面仿真与测试系统设计

摘要： 根据某型号搭载的七自由度空间机械臂的测试任务,设计一套空间机械臂地面仿真与测试系统.该系统可以完成两方面的功能：一是利用空间机械臂模拟器进行半物理仿真,对空间机械臂控制线路盒的电接口和控制软件功能进行测试;二是采用吊丝卸载装置对空间机械臂真实产品进行全物理试验,对在轨任务进行地面演示验证.利用所设计的测试系统已经完成了某型号空间机械臂的地面测试与演示验证任务,目前该型号已经发射成功,空间机械臂已经成功完成在轨试验.所设计的空间机械臂地面仿真与测试系统具有较好的通用性和扩展性,可以应用于其他空间机械臂产品的地面测试.     

燃气动力弹跳机器人在不同地面弹跳能力

燃气动力弹跳机器人具有很强的越障能力,但不同特性地面对其弹跳性能影响较大。针对上述问题,对燃气动力弹跳机器人起跳过程的动力学模型进行理论与试验分析。首先建立了机器人起跳动力学模型,利用Hunt-Crossley模型对机器人脚与地面的作用力进行分析;然后构建试验平台,对模拟硬黏土、草地进行静态、动态力学特性测试,得到相应的力学参数;最后对弹跳机构在刚性地面、模拟硬黏土和模拟草地分别进行弹跳分析与试验。在一定充气压力条件下(丙烷0.01 MPa、一氧化二氮0.21 MPa)燃烧室内燃后压力基本相同(最大压力约3.1 MPa),而弹跳机构(总重为3.55 kg)在刚性地面和硬黏土地面的弹跳高度分别为2.0 m和1.4 m,在草地地面相对充气压力为0 MPa条件下,其弹跳高度为0.1 m。结果表明,机器人在松软的地面较刚性地面弹跳高度较低,且模拟3种地面的弹跳试验结果与分析结果较为吻合。      

VHF空地数据链信道访问参数研究

基于甚高频空地数据链信道访问模型和CSMA的矩阵分析方法,详细研究了数据报告更新率、数据报文长度、监听密度、数据链路信息传输率、数据链地面站的覆盖范围、数据链所能支持的飞机数目等参数,在不同的信道访问特性变化规律下对系统的吞吐量及报文传输延时的影响.仿真分析的结果表明:信道访问参数对VHF空地数据链的性能有显著的影响.     

基于高斯过程的机器人自适应抓取策略

在机器人抓取作业时,目标物体的位姿经常发生变化。为了使机器人在运动过程中能够适应物体的位姿变化,提出了一种基于高斯过程的机器人自适应抓取策略。该方法建立了从观测空间到关节空间的映射,使机器人从样本中学习,省去了机器人视觉系统的标定和逆运动学求解。首先,拖动机器人抓取物体,记录物体的观测变量和机器人的关节角度;然后,利用记录的样本训练高斯过程模型,实现观测变量和关节角度的关联;最后,当得到新的观测变量时,通过训练的高斯过程模型得到机器人的关节角度。经过训练后,UR3机器人成功抓取了物体。     

驾驶机器人机械腿动力学建模与仿真分析

为提高驾驶机器人的设计效率,对机器人的机械腿进行了动力学分析与建模,并建立了机器人驾驶车辆的联合仿真模型。机械腿动力学模型由机械结构和伺服电机两部分组成,其仿真模型由ADAMS和MATLAB/Simulink软件共同建立,在此基础上引入CarSim软件建立车辆模型,并以Simulink为平台建立了基于闭环速度控制的“驾驶机器人-车辆”联合仿真模型。仿真结果表明,驾驶机器人机械腿的动力学模型具有良好的动态响应特性,且所搭建的联合仿真模型能够完成基本的车速跟踪仿真实验,为下一步改进驾驶机器人的机械结构及控制策略提供了虚拟样机模型。      

下肢康复机器人动力学建模约束违约抑制

U-K理论为获得约束多体系统的解析动力学方程提供了新的理念，但由于数值近似和截断误差等因素的影响，动力学方程在位置和速度层面上存在约束违约。Baumgarte约束违约稳定法（BSM）通过约束修正得到稳定的动力学方程。然而，Baumgarte参数的选择通常涉及一个试错过程，可能会出现失效的仿真结果。为此，利用经典的四阶Runge-Kutta法研究了Baumgarte参数选取问题，创建了基于BSM修正后的U-K理论的机器人系统解析动力学方程。以下肢康复机器人为研究对象仿真分析，结果表明:利用所提方法可以有效抑制约束违约，关节角度误差控制在-5×10-3（°）~5×10-3（°）范围内；关节角速度误差控制在-2×10-4~2×10-4 rad/s范围内；机器人末端执行器运行轨迹能够很好地贴近系统预定的目标。      

四足步行机的对角小跑步态及能耗仿真分析

步行机需自身携带能量如电池实现步行及探测任务,研究其能量消耗有重要的意义.步行机的行走步态与能量消耗密切相关,采用对角小跑步态,分析能量消耗与相关影响参数间的关系.介绍了四足步行机的对角小跑步态及多链串并联复合机构的特点,建立步行机的运动学方程及拉格朗日动力学方程.采用虚拟样机技术建立系统的考虑足与地面接触的三维仿真模型,进行完整对角小跑步态周期中的能量消耗分析,获得步行机的动态特性.以移动能耗率为评价指标,分别仿真分析3种步距及3种接触材料的能量消耗,研究步距、接触刚度和摩擦系数对步行机能量消耗的影响,建立移动能耗率与步行机步行速度间的关系曲线,为物理样机的设计提供依据.      

Ka频段低轨遥感卫星可变编码调制应用效能研究

分辨率的不断提高对低轨遥感卫星的星地数据传输能力提升提出了迫切需求,导致X频段星地数传通道压力急剧增加,而Ka频段可用带宽是X频段的4倍,理论上可大幅提升传输能力。当前低轨遥感卫星的星地数据传输通常采用固定编码调制（CCM）和可变编码调制（VCM）,均未利用地面站仰角增大时大气衰减减小所带来的信道条件改善,对链路资源造成浪费。针对此问题,对指定地面站和链路可用度,综合考虑自由空间损耗和大气衰减随接收仰角增加而同时减小的特性,提出基于DVB S2标准的Ka频段星上VCM系统实现方案,给出传输效能评估标准,并对降雨特性不同的喀什站、北京站、三亚站CCM,VCM的Ka频段传输效能进行了对比仿真分析,以寻找出适合不同站点的星地数传方案。仿真结果表明：干旱少雨的喀什站更适合采用CCM,且链路可用度高达99.82%;雨量中等的北京站可根据用户使用需求灵活选择CCM或VCM;而降雨丰富的三亚站更适合采用VCM,不仅可将传输效能提升8.37%,还可将链路可用度提升11.23%。     

N(h) profiles from ground and “Interkosmos-19” satellite data

During the years of high solar activity (1979–1980) simultaneous soundings of the ionosphere were made by the Bulgarian ground stations at Sofia and Michurin and by the satellite Interkosmos 19. The N(h) profiles for the ground stations were computed in association with IZMIRAN, Moscow and those for the satellite by SIB-IZMIRAN.During some of the satellite transit orbits the electron densities at the maximum of the F2 layer coincide precisely with those obtained from ground ionograms. In other cases differences were observed, perhaps because of the differences in time; the ionospheric stations at Sofia and Michurin worked on the ordinary 15-minute regime.