空间机械臂运动控制的地面仿真验证技术

空间机械臂是在轨进行舱外巡检、航天员辅助出舱的关键活动机构,其在轨操作的运动过程需要在地面进行预先规划生成运动控制指令,再通过数字仿真与推演对运动控制指令进行验证,以确保机械臂操作全程的安全性和高效性.针对上述问题,本文主要从运动空间限制、运动速度限制和关节力矩限制等方面设计了地面仿真验证框架,提出了基于运动学与动力学...     

空间机械臂智能规划与控制技术

随着空间探索的不断深入,人类从认识空间环境逐渐转向开发和利用空间资源,空间机械臂因其运动范围广、操作能力强等特点被广泛应用于空间探索活动。复杂的太空环境以及繁重的空间操控任务对空间机械臂的自主性与智能性提出了越来越高的要求。本文在概述空间机械臂的发展现状及其关键技术的基础上,对空间机械臂智能规划与控制技术展开综述,重点阐述国内外学者在空间机械臂任务规划、运动规划以及运动控制等方面中取得的研究成果,进而展望了后续空间机械臂规划与控制的发展方向。     

基于DDPG-PID的机器人动态目标跟踪与避障控制研究

针对机器人在动态复杂环境下的操作问题,研究机械臂跟踪运动目标及避障的运动控制方法。采用传统PID控制方法与DDPG强化学习算法相结合的方式,利用PID控制使得机械臂的工作平面快速接近目标物并与之重合,再使用DDPG算法让机械臂在平面内自主学习追踪目标物投影同时避开障碍物投影,最终在三维空间中实现跟踪与避障。该方法将机械臂作为一个智能体,智能体通过感知目标物和障碍物的距离偏差来自主学习避障跟踪策略。将本方法用于多自由度机械臂路径规划与避障任务中,对比单纯使用DDPG算法将机械臂作为智能体在空间中进行决策控制,仿真结果显示本文所提出的方法收敛效果和控制性能更好,机械臂能在训练后实现目标物的稳定跟踪和障碍物的躲避。     

自由浮动空间柔性机械臂在轨操作刚性载荷的组合控制

针对自由浮动空间柔性机械臂,讨论了在笛卡尔坐标系中机械臂对刚性载荷的轨迹跟踪控制和连杆柔性振动主动控制问题。基于拉格朗日法、假设模态法和系统动量守恒定律,推导了一种自由浮动空间柔性机械臂在轨操作刚性载荷的动力学方程。在此基础上,采用奇异摄动法将系统分解为慢变和快变两种尺度时标的子系统,设计模糊终端滑模控制器和Backstepping控制器分别对两个子系统进行控制,由此得到的组合控制使得机械臂按期望轨迹对刚性载荷进行精确在轨操作,同时抑制了柔性连杆的弹性振动。通过数字仿真验证了上述方法的有效性。     

空间重复锁紧与分离装置容差性能分析与验证

空间重复锁紧与分离装置的容差能力是合作目标能否被捕获的关键指标,一定的容差能力能够抵消机械臂末端定位误差带来的合作目标位姿误差。根据某种在轨服务平台对空间合作目标的捕获方式,提出并设计了一种具有一定容差能力,并且在空间机械臂协助下能够完成对合作目标重复锁紧与分离的装置。本文建立了合作目标任意一点与重复锁紧与分离装置坐标系之间的D-H矩阵,完成了对球头关键点运动轨迹数学模型的建立。利用关键点投影方法对装置的容差性能进行分析,验证了装置设计的合理性。通过ADAMS仿真和样机试验相结合的方式对装置的容差性能进行验证,结果表明所设计的装置能够捕获和锁紧处于极限位姿下的合作目标,验证了装置的容差能力。     

计及关节及杆柔性的空间机械臂抓取控制

针对考虑关节及杆柔性的空间机械臂动力学与抓取控制问题,以三连杆柔性机械臂为研究对象,考虑臂杆的横向弯曲变形、纵向拉伸变形及由于横向变形引起的轴向收缩的二阶耦合量等,并通过引用转子扭簧模型来考虑柔性关节的影响,应用Lagrange方程和假设模态法建立动力学模型.引入“动态抓取域”来描述机械臂的抓取过程,采用关节主动阻尼控制来抑制抓取过程中的碰撞激振力,分析了匀速抓取和加速抓取两种策略的机械臂柔性关节的变形特性.仿真结果表明:关节柔性减小了整体碰撞力,在碰撞过程中起到一定的缓冲作用;加速抓取控制下比匀速抓取控制下的关节变形小,前者整体优于后者.     

航天器平台-载荷-控制一体化协同研制

航天器任务能力的指标提升,对卫星系统设计的深入、精细以及集约要求更高。以系统性能最优为终极目标,围绕任务能力开展多学科一体化设计,进而引起的产品集成、验证模式的显著改变。本文对国内外航天器多学科一体化研制模式的发展和应用情况进行介绍,分析了一体化设计的需求和内涵,并对多学科一体化协同平台的实现及探索性应用进行了研究。     

多约束条件下机械臂关节轨迹模糊控制算法

将单一约束条件下冗余机械臂关节角速度向量算法与模糊推理方法有效结合,实现多个约束条件下冗余机械臂关节角速度向量轨迹的控制。根据末端执行器的方向、灵活性、机械臂与障碍物的距离等约束条件的重要性,将多个约束条件排定先后次序。综合所有传感器的信息,由模糊推理确定某一时刻需要优化的约束条件,以及对每个约束条件的执行程度,使得在完成主要任务的前提下,所有约束条件都得到最大限度满足。仿真结果证明了所提出算法的有效性。     

基于响应面方法的多目标有限元模型修正技术研究

研究基于响应面方法的多目标模型修正技术,并以一个实际结构为例进行修正。论述了该技术的主要步骤及其中参数选择、试验设计、响应面拟合、多目标优化和确认准则等关键技术的理论基础。设计结构并进行相关模态试验,用仿真软件MSC.Nastran建立该结构的有限元模型,然后基于该技术对模型进行修正。比较并分析试验结果与修正后仿真结果,通过两者前四阶频率与振型的比较,证明了该技术的有效性和合理性。     

面向飞行机械臂的实时目标检测与定位算法

飞行机械臂要完成自主抓取的任务,对目标物的识别与定位尤为关键.当前飞行机械臂视觉识别算法多采用传统的特征提取等方法.为提升目标物识别及定位的精度和效率,本文设计了一种基于YOLOv5深度学习目标检测算法和RGB?D传感器的视觉识别与定位算法,该算法可以实时检测目标物并对其位姿进行估计,为飞行机械臂的抓取工作服务.同时针...     

带滑移铰空间机械臂惯性轨迹跟踪的反馈控制

利用多体动力学方法对浮动基带滑移铰车间机械臂的运动学,动力学作了分析,首先,根据系统结构几何关系并结合系统对总质心的动量矩守恒关系,导出其末端抓手动速度与关节铰速度之间的广义Ｊａｃｏｂｉａｎ关系,然后,利用系统动力学方程及运动的广义Ｊａｃｏｉａｎ关系,研究了载体位置,姿态不受控情况下,共末端抓手跟踪惯性空间期望轨迹的反馈控制规律。研究结果表明,在系统动力学参数及动力学模型精确确定,跟踪误差及需要的     

地基雷达测量精度自鉴定技术

精度鉴定是保证雷达有效工作的重要保证,目前我国的雷达精度鉴定方法都是硬比方法,鉴定周期较长、协调工作量大。针对该问题,提出了一种通过跟踪一般低轨卫星实现地基雷达测量精度自鉴定的方法,设计了采用自鉴定方法校准雷达测元零值的技术方案,明确了数据处理流程,给出了关键数学模型。通过无噪声仿真验证证明了本文方法的正确性和有效性,通过有噪声仿真验证发现了测元随机误差与估计轨道参数间的相互影响和耦合效应,为后续工程应用和技术改进积累了经验。     

大型民机双作动筒式前轮转弯操纵系统设计与仿真分析

为了提高飞机起降性能,当前飞机起落架逐步发展为采用电传操纵技术。而为了满足对低速大转角机动和大转弯力矩的要求,现代大部分大型民机都装配了双作动筒式前轮转弯系统。本文以大型民机的双作动筒式电传前轮转弯操纵系统为研究对象,针对双作动筒式前轮转弯机构设计一种随动转阀式换向阀,以满足其在死点位置时液压源换向的要求;随后基于双作动筒式前轮转弯系统对操纵控制的要求,设计了集手轮低速大角度转弯、脚蹬快速小角度转弯以及减摆功能于一体的飞机前轮操纵电液伺服系统,并建立仿真模型,进行动态仿真分析,以检验系统的各项功能。仿真结果表明,系统能够满足工程使用的要求。     

攻击直升机作战效能评估

攻击直升机是现代战争中最具威胁的作战兵器之一,作战模拟对于武器系统作战效能分析具有不可替代的作用。本文用马尔柯夫过程建立了直升机在威胁环境中攻击一个地面目标的数学模型,导出了攻击任务成功率、目标被击毁率和直生机损失率等效能的表达式和计算方法,讨论了攻击直升机的费用-效能关系、最优战斗时间以及通过计算实例说明改装机载电子对抗设备对作战效能的影响     

基于FlightGear的飞行数据管理与分析系统

飞行器是一个庞大的复杂系统,其设计与开发需要几轮迭代,而仿真技术在此过程中起着无法替代的作用。开源仿真软件FlightGear主要用于飞行模拟,并不能用于飞行器的系统研发仿真与验证。本文以FlightGear为基础,对其进行了扩展,从而实现了一套集飞行数据管理和分析于一体的软件系统。利用FlightGear接口,开发了以数据采集为主的通信、存储等模块,使扩展系统能够实时、灵活地采集飞行器的参数,并存储于数据库;设计并实现了用于飞行器姿态预测的分析模块,新预测方法提高了姿态参数的预测精度。目前,该扩展系统已用于某飞行器的研发论证中,取得了较好的经济效益。     

绝缘子清扫机器人的动力学建模及轨迹优化

研究了支柱型绝缘子带电清扫机器人伸缩臂运动引起升降臂振动的问题，将升降臂和伸缩臂分别建模为柔性臂和刚性臂，形成末端具有移动刚体的柔性臂系统，在假设模态法的基础上建立了系统的Lagrange动力学模型，建模考虑了大多数柔性臂模型忽略的重力和非线性耦合的影响，分析了伸缩臂全局运动与升降臂局部振动的相互影响。提出一种单变量优化方法，以升降臂的残余变形能为性能指标，优化伸缩臂的运动轨迹，降低升降臂的残余振动。应用该方法对梯形速度曲线进行了优化，结果表明可以有效地控制升降臂的残余振动。该方法计算量小，便于在线实现。     

航空铝合金7050-T7451高速切削加工中流动应力模型

通过对分离式Hopkinson压杆进行高温动态压缩实验,得到在冲击压缩中材料航空铝合金7050-T7451在室温到高温550℃的应变、应变率与应力间的数据依赖关系.利用高速切削实验及有限元模拟相结合对该数据关系进行修正以适合高速切削加工的"高温"、"高应变率"及"大应变"状态.选择综合考虑温度软化效应,应变强化和应变率强化效应的经验Johnson-Cook模型,对其数据关系进行量化的描述,并确定铝合金7050-T7451流动应力本构模型中材料常数的值,最后建立了铝合金7050-T7451的本构模型.以实验和模拟中输出主切削力为比较指标,验证了所建模型的正确性.     

基于逆仿真的直升机机动飞行科目数学模型及其应用

逆仿真可以驱动直升机仿真模型完成预定的机动科目,给出完成该机动的操纵输入规律和飞行状态变量的时间历程,因此建立机动科目数学模型是逆仿真的前提。本文提出了一个较通用的直升机机动科目分段函数描述方法,该方法可以对ADS－33E－PRF规定的大部分任务科目建立逆仿真所需的数学模型。以UH－60A“黑鹰”直升机为例,将以该方法所建立的机动科目“转向目标”、“障碍滑雪”数学模型应用于逆仿真,并依照ADS－33E－PRF的有关指标,根据仿真结果对“黑鹰”直升机驾驶品质的某些方面作出了评价,结果表明,该方法建立的数学模型能够真实有效地描述机动科目。