空间绳系机器人目标抓捕及抓捕后稳定控制方法研究

摘要

空间绳系机器人系统是一种由“空间平台+空间系绳+末端抓捕机构”组成的新型空间机器人系统，和传统空间机器人相比，具有操作灵活、操作距离远等优点，可广泛应用于包括在轨维修、轨道垃圾清理、辅助变轨及在轨空间站辅助组装等未来在轨服务中。空间绳系机器人按照任务可以划分为释放逼近段、目标抓捕段和拖曳/回收段，其中目标抓捕及抓捕后稳定控制是空间绳系机器人进行在轨服务的前提。因此，空间绳系机器人目标抓捕及抓捕后稳定控制具有十分重要的研究意义。
　　空间绳系机器人动力学高度耦合，导致其目标抓捕过程十分复杂，空间系绳干扰和碰撞力均会对空间绳系机器人的位置和姿态产生较大的影响，系统参数不确定性对目标抓捕稳定控制器设计带来困难；空间绳系机器人完成对目标抓捕后，由于抓捕过程中的碰撞和目标的自旋，导致抓捕后复合体不稳定，甚至会通过空间系绳威胁空间平台的安全。因此，本文主要研究空间绳系机器人目标抓捕及抓捕后稳定控制方法，论文的主要研究内容及成果如下：
　　(1)建立了空间绳系机器人动力学模型。考虑了空间绳系机器人三轴姿态、空间系绳长度、面内角和面外角等因素，采用空间系绳珠子模型，利用拉格朗日方法，建立了空间绳系机器人动力学模型，为后续目标抓捕及抓捕后稳定控制研究提供模型支持。
　　(2)建立了空间绳系机器人目标抓捕碰撞动力学模型，研究了目标抓捕动力学问题。明确了空间绳系机器人操作手爪和目标待抓捕部位结构模型，根据操作手爪和目标的特点，设计了操作手爪抓捕过程碰撞检测算法，利用赫兹接触模型描述操作手爪与目标的接触碰撞过程。在此基础上，对目标抓捕过程进行了动力学分析。仿真结果表明：空间绳系机器人动力学模型中系绳段数越多，仿真误差越小，精度越高；在目标抓捕过程中，和系绳拉直模式相比，系绳自由模式对空间绳系机器人的位置和姿态影响更大；抓捕初始时刻，空间绳系机器人与目标之间相对线速度和相对角速度过大，会引起目标脱离操作手爪抓捕包络，导致抓捕任务失败。
　　(3)针对空间绳系机器人目标抓捕稳定控制问题，基于本文空间绳系机器人操作手模型，设计了基于位置的阻抗控制方法。其中，利用神经网络对空间绳系机器人模型不确定性进行估计，设计鲁棒项抑制空间系绳的干扰影响。仿真结果表明，基于阻抗控制的目标抓捕稳定控制方法可以实现对空间绳系机器人目标抓捕过程中的稳定控制；仿真对比表明，本文采用的鲁棒自适应控制方法可以有效地对模型不确定性进行补偿，控制过程中超调量更小，收敛时间更短，并且控制精度更高。
　　(4)针对目标抓捕后复合体参数（质量、转动惯量及系绳连接点位置）已知的控制问题，设计了复合体稳定控制方法。其中，设计了自适应律对模型不确定性上限进行估计，并在控制器中进行补偿；针对控制输入饱和问题，引入辅助系统，降低控制过程中执行机构饱和程度，提高系统的控制性能。仿真结果表明，设计的复合体稳定控制器可以有效补偿模型不确定性带来的影响，系统超调量更小，控制过程更加平稳；此外，辅助系统的引入可以有效降低输入饱和程度，提升系统的控制性能。
　　(5)针对非合作目标抓捕后复合体系统参数未知的稳定控制问题，设计了一种基于动态逆的自适应稳定控制方法。采用自适应律对系统参数进行估计；同时，考虑了复合体稳定控制过程中的执行器饱和受限问题。仿真结果表明，设计的基于动态逆的自适应稳定控制方法可以实现对系统参数的自适应估计，完成抓捕后复合体的稳定控制；同时，可以有效降低执行器饱和程度，改善系统的控制性能。

目录

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中文摘要

英文摘要

目录

1绪 论

1.1 空间绳系机器人定义及本文研究意义

1.2 空间绳系机器人相关计划及研究进展

1.3 本文研究内容与结构安排

2空间绳系机器人动力学建模

2.1 引言

2.2 系统描述

2.3 动力学建模

2.4 本章小结

3空间绳系机器人目标抓捕动力学分析

3.1 引言

3.2 操作手与目标结构

3.3 目标动力学建模

3.4 操作手与目标碰撞检测算法

3.5 操作手与目标接触碰撞模型

3.6 操作手目标抓捕动力学分析

3.7 本章小结

4空间绳系机器人目标抓捕稳定控制

4.1 引言

4.2 空间绳系机器人目标抓捕动力学模型

4.3基于阻抗控制的空间绳系机器人目标抓捕鲁棒自适应控制器设计

4.4仿真算例

4.5本章小结

5参数已知的目标抓捕后复合体稳定控制

5.1引言

5.2空间绳系机器人目标抓捕后复合体控制任务描述

5.3空间绳系机器人目标抓捕后复合体稳定控制器设计

5.4仿真算例

5.5本章小结

6参数未知的目标抓捕后复合体自适应稳定控制

6.1引言

6.2空间绳系机器人目标抓捕后复合体控制任务描述

6.3空间绳系机器人目标抓捕后复合体自适应抗饱和控制器设计

6.4仿真算例

6.5本章小结

7结论与展望

7.1论文总结

7.2论文展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文和参加科研情况

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