Limit-cycle-like control for planar space robot models with initial angular momenta

In this paper, we develop a new control strategy on limit cycles for planar space robot models with initial angular momenta. First, we state our problem formulation, and give some concepts and assumptions. Next, we derive a controller that generates a desired stable limit-cycle-like behavior for general two-dimensional nonlinear control systems, which is called limit-cycle-like control. We then give two kinds of specific forms of the controller and investigate some characteristics of them. After that, we apply the limit-cycle-like control methods to a control problem of a planar space robot model with an initial angular momentum, and some simulations are carried out in order to demonstrate the effectiveness of our new methods.     

空间机器人抓取未知目标的质量特性参数辨识

根据动量守恒定理,研究了单臂自由飘浮空间机器人抓取未知目标的质量特性参数辨识问题。已有文献中基于动量守恒原理进行的参数辨识只适用于系统线动量和角动量为零的情况,当两者不为零时无法得到正确的辨识结果。为解决此问题,本文首先在惯性系而非本体系下推导得到了机械臂抓取未知目标后的系统线动量和角动量,保证了其各分量的守恒特性。然后基于此特性,通过在轨测量两个时刻机器人本体的线速度、角速度以及机械臂各关节的角速度和转角信息,建立了含有未知目标质量特性参数的动量增量方程。最后根据三组测量信息,从联立的动量增量方程组中求解得到未知目标的质量特性参数。数值仿真表明,此方法在系统线动量和角动量为零和不为零两种情况下都能实现高精度的参数辨识,同时还避免了方程求解的奇异问题。     

空间机器人抓捕目标后动力学参数辨识研究

针对自由漂浮空间机器人抓捕目标后的动力学参数辨识问题,提出一种参数辨识的持续激励轨迹设计方法。首先,基于动量守恒原理建立了自由漂浮空间机器人的动力学参数辨识模型;然后,采用有限傅里叶级数对空间机器人的机械臂关节运动轨迹进行参数化表示,并以参数辨识回归矩阵条件数最小化为指标,通过求解一个包含多约束的非线性优化问题得到傅里叶级数的待定系数;最后,采用基于QR分解的递推最小二乘估计方法实现对采样数据的序贯处理,并求解出待辨识参数。仿真结果表明,提出的激励轨迹设计方法可以显著提高空间机器人参数辨识的收敛速度和准确性。     

自由浮动空间机械臂的最优控制

自由浮动空间机械臂所满足的动量矩守恒方程是一个非完整约束条件。首先把铰关节角速度作为输入，建立起系统的状态方程。然后把输入表示成待定系数的Ｆｏｕｒｉｅｒ 基组合，从而将最优控制转化为对代数问题的求解。最后用非线性最小二乘法迭代求出同时使载体和铰关节达到预定位形，而且使输入能量最小的最优控制。仿真算例说明，本文的方法是有效的。     

欠驱动航天器飞轮控制方法

针对应用任意剪刀对构型飞轮群的欠驱动刚体航天器姿态控制问题,将飞轮群与航天器看作整体系统进行建模,从整体系统可控性角度分析采用传统模型进行控制系统设计存在的局限性。随后通过对飞轮群角动量集合描述,得出航天器姿态可机动集合。由于飞轮群构型的任意性及航天器的欠驱动特性,导致具有初始角动量的整体系统难以针对系统状态方程采用Lyapunov函数方法进行状态反馈控制器设计,同时为了保证存在外扰动力矩的航天器姿态机动精度,采用非线性预测控制方法实现系统的反馈控制。所提控制算法实现了任意飞轮群剪刀对构型、飞轮群角动量非饱和条件下,任意系统初始角动量欠驱动航天器在姿态可机动集合中的机动控制。仿真结果表明,系统具有良好的控制性能及精度。     

自由漂浮空间机器人多约束混合整数预测控制

针对空间机器人完成任务时需要躲避障碍物的问题,提出一种自由漂浮空间机器人的混合整数预测控制方法。首先,在模型预测控制方法框架下,机械臂关节的物理限制,躲避障碍物的要求被统一描述为最优控制问题下的不等式约束,可以得到自由漂浮空间机器人具有线性二次规划形式的最优控制律。其次,基于命题逻辑建立控制问题中各约束的优先级,保证在最大程度地满足约束的情形下得到控制问题的解,有效弥补了模型预测控制方法用于空间机器人控制时,多约束可能导致最优控制问题不可行的不足。最后,仿真结果校验了所设计控制律的有效性。     

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。     

基于遗传算法的空间自由漂浮机械臂系统运动规划

为了研究空间自由漂浮机械臂系统的运动规划问题,本文将其动力学模型转化为以关节角速度为控制输入变量的非线性控制系统状态方程,确定了以能耗最小为主要目标,同时满足一定约束条件的多种目标函数,提出了运用遗传算法求解最优控制变量的运动规划方法。同时,以机械臂从初始位形运动至指定终端位形的过程为仿真算例,对上述规划算法及其应用进行了分析和验证。仿真结果表明该算法有效可行,能够为机械臂系统的空间操作提供理论参考。     

细胞化卫星分布式角动量平衡力矩分配算法

针对细胞化卫星姿态控制系统中细胞模块数量多、控制器细胞通信压力大的问题,提出了一种分布式控制力矩分配算法。该力矩分配算法先将力矩分配问题转化为带耦合等式约束的凸优化问题,然后通过分布式的方式求解该优化问题。在力矩分配过程中,控制器细胞只需要提供期望力矩,因此降低了通信压力。同时,该算法在优化目标函数中引入角动量能力因子,使飞轮细胞可以根据自身的角动量水平决定其力矩输出。数值仿真结果表明,该分布式分配算法可以保证分配后的力矩与期望力矩相等,且实现了平衡飞轮系统角动量的目的,进而可以通过卸载部分细胞的角动量来卸载整个飞轮系统的角动量。     

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。     

任务空间内空间机械臂的一种鲁棒自适应控制

对于本体姿态受控而位置不受控的空间机械臂系统,考虑存在参数不确定性及非参数不确定性(包括扰动、未建模动态),本文在任务空间内提出了一种鲁棒复合自适应控制方法,证明了这种方法可以保证末端执行器在任务空间内的位置轨迹跟踪误差、关节空间内的角偏差和角偏差速率渐近收敛.仿真结果验证了算法的有效性.     

航天器抓捕后复合体系统稳定的协调控制研究

针对航天器抓捕后由于系统质量特性和动量的改变而导致复合体系统失稳的问题,提出了两种基于角动量守恒的协调控制方法:关节阻尼控制和关节函数参数化协调控制。这两种方法通过对各关节和飞轮的速度进行协调规划和控制,实现对系统角动量的管理和重分配,在实现对目标进行停靠的同时,保证了基座的稳定性。两种方法各有优缺点,其中,关节函数参数化在实现系统稳定的同时还可使机械臂处于期望的臂型,以方便开展在轨维修等服务操作。所提出的方法将实际飞轮作为动量交换装置,具有很好的工程可实现性。仿真结果验证了方法的有效性。     

空间机械臂捕捉空间目标分析

基于建立的空间机械臂系统的运动学与动力学模型,以及动量守恒关系,对空间机械臂抓取空间目标进行了分析。讨论了两关节机械臂4种碰撞力方向及其对应的机械臂系统耦合角动量、关节转角的变化,提出了直臂抓取方案。仿真结果表明：通过控制碰撞力方向可有效减少碰撞力对系统耦合角动量、关节转角的影响,进而避免混合体控制的关节与力矩限制。     

基于递推差分进化算法的空间机器人参数辨识

针对空间机器人抓取未知目标时的特性参数以及关节摩擦系数的辨识和在线修正问题,提出一种基于递推差分进化算法的实时参数辨识方法。首先采用静态连续摩擦模型描述机器人的关节摩擦特性,并建立两关节空间机器人的非线性动力学模型,然后基于差分进化算法和递推最大似然估计法推导出递推差分进化算法,并用于空间机器人的参数辨识,最后仿真校验了该辨识方法的有效性。仿真结果表明,该算法的辨识精度优于遗传算法和最小二乘法,辨识速度较快,能满足遥操作的要求,且对于动态信息有较好的跟随性。     

非零初末角速度约束下的卫星实时姿态机动规划

针对存在初末角速度非零约束的卫星姿态机动任务,提出了一种基于旋转分解的实时解析规划算法。该方法通过将卫星三维旋转分解为多个绕固定轴的一维欧拉旋转,使非线性规划问题转换为多个一维空间上的线性规划问题,再将各个线性规划的结果通过四元数运算融合为最终的姿态机动规划结果。与过去针对此类问题经常采用的非线性规划方法相比,该规划算法可以通过解析的形式给出,因此不需要通过多次数值迭代得到可行解,运算量少,可以实时进行计算,适合实际在轨应用。     

使用混合执行机构的快速机动卫星力矩分配算法

针对单框架控制力矩陀螺群（SGCMGs）存在奇异和单框架控制力矩陀螺（SGCMG）存在框架转速死区的问题,研究了SGCMG与飞轮联合作为执行机构的控制力矩分配算法,以SGCMG功耗、飞轮功耗和飞轮角动量的二次型加权矩阵求和为性能指标,提出了一种形式简洁的混合执行机构力矩分配算法,通过分析,证明该分配算法能够有效的避免SGCMGs的奇异;设计了一种SGCMG功耗加权矩阵的调节策略,解决了SGCMG陷入转速死区的问题,设计了一种飞轮角动量加权矩阵的调节策略,通过对加权矩阵的实时调节实现了对飞轮角动量的管理,解决了飞轮转速的饱和与过零问题。数学仿真结果验证了该力矩分配算法的有效性。     

An Effective Algorithm of Aerodynamic Control over Spacecraft Descent

An algorithm of aerodynamic control is suggested for the descent of a spacecraft with a small lift-to-drag ratio into a predetermined region of space. The algorithm provides for an oriented descent with accepted accuracy for a subsequent operation of the landing control system. It needs less computing in comparison with traditional algorithms due to reduction of the initial nonlinear boundary value problem to the Cauchy problem.     

任务空间内空间机器人的复合自适应控制

对于本体姿态受控而位置不受控的空间机器人系统 ,考虑存在参数不确定性 ,本文在任务空间内提出了一种复合自适应控制方法 ,证明了这种自适应方法不但可以保证末端执行器任务空间内位置轨迹跟踪误差的渐近收敛 ,而且还可保证关节空间内角速率偏差及估计误差的渐近收敛。仿真结果验证了算法的有效性     

欠驱动刚性航天器姿态的非完整运动规划粒子群算法

研究欠驱动刚性航天器姿态的非完整运动规划问题。众所周知航天器利用三个动量飞轮可以控制其姿态和任意定位，当其中一轮失效，航天器动力学方程表现为不可控。在系统角动量为零的情况下，系统的姿态控制问题可转化为无漂移系统的运动规划问题。基于粒子群优化技术设计了欠驱动刚性航天器姿态的非完整运动规划算法。通过数值仿真，并和遗传算法进行了比较，结果表明该方法对欠驱动航天器姿态运动规划是有效的。