变拓扑并联机器人轨迹跟踪控制技术研究

摘要

随着空间技术的快速发展，各个航天大国不断发射航天器，问题也凸显而来，太空中不断增多的失效卫星和太空碎片严重威胁着空间安全，针对于非合作目标的在轨捕获技术已经成为当今太空安全领域的研究热点。论文在分析现有在轨捕获机构的基础上，针对本文提出的捕获机构，即变拓扑并联机器人，运用联合仿真技术，设计了PID的控制器和模糊PID控制器来研究其轨迹跟踪控制策略，完成了变拓扑并联机器人轨迹跟踪控制系统模型的建立及其控制算法的仿真验证。主要工作包括以下几项。
　　首先，论文分析了变拓扑并联机器人结构和工作原理，进行了运动学建模来获得末端执行器中心点的位置正解、位置逆解和速度解，并对运动学模型进行实例验证。
　　其次，在充分研究SimMechanics工具箱中的基本模块及机械系统框图模型构造方法的基础上，联合SolidWorks软件，搭建了变拓扑并联机器人的SimMechanics模型，用模型对该变拓扑并联机器人进行了运动学以及动力学仿真分析。
　　然后，对变拓扑并联机器人的轨迹规划进行了研究，为了生成起点、终点间的轨迹分析了常用的插补算法。为了保证机构运动中速度的连续性、平稳性，对梯形的速度规划方式进行了改进，得到了改进后的算法，对机器人的路径采用三次多项式插值算法进行规划，完成了整个轨迹规划过程。
　　最后，对变拓扑并联机器人轨迹跟踪控制算法进行了研究，建立了基于PID和基于模糊PID的轨迹跟踪控制系统，并对其进行了仿真与性能对比，结果表明:基于模糊PID的控制算法更能满足这种变拓扑并联机器人多输入多输出非线性系统的控制需求。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 研究背景与意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 在轨捕获机构研究现状

1．2．2 并联机器人轨迹规划研究现状

1．2．3 并联机器人控制策略研究现状

1．3 本文研究的主要内容

2 变拓扑并联机器人运动学模型

2．1 变拓扑并联机器人结构简介

2．2 理论基础

2．2．1 位姿描述

2．2．2 坐标变换

2．2．3 齐次变换

2．3 变拓扑并联机器人的运动学建模

2．3．1 位置正解模型

2．3．2 位置逆解模型

2．3．3 Bricard机构模型

2．3．4 动平台中心点速度模型

2．4 实例计算

2．5 本章小结

3 变拓扑并联机器人运动学和动力学仿真分析

3．1 SimMechanics基本模块简介

3．2 变拓扑并联机器人S imMechanics模型

3．2．1 SolidWorks与SimMechanics的数据交换

3．2．2 创建SimMechanics模型

3．3 变拓扑并联机器人运动学仿真分析

3．3．1 运动学逆解仿真分析

3．3．2 运动学正解仿真分析

3．4 变拓扑并联机器人动力学仿真分析

3．5 本章小节

4 变拓扑并联机器人的轨迹规划算法研究

4．1．1 空间直线插补

4．1．2 空间圆弧插补

4．2 速度规划

4．3 轨迹规划

4．3．1 捕获过程规划

4．3．2 捕获后调姿规划

4．4 本章小结

5 变拓扑并联机器人轨迹跟踪控制系统研究

5．1 变拓扑并联机器人PID控制器设计

5．1．1 PID控制器设计

5．1．2 变拓扑并联机器人PID轨迹跟踪控制仿真

5．2 变拓扑并联机器人模糊PID控制器设计

5．2．1 模糊控制算法

5．2．2 模糊PID控制算法

5．2．3 模糊PID控制器设计

5．2．4 变拓扑并联机器人模糊PID轨迹跟踪控制仿真

5．3 两种控制器性能比较

5．4 本章小结

6 结论

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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