基于伪谱法的柔性空间多体系统姿态运动规划与跟踪控制研究

发布时间：2020-08-15 18:18

【摘要】：随着航天技术的不断发展,航天器的结构越发复杂。自由漂浮空间机器人和带有太阳帆板的航天器系统在太空任务中均取得广泛应用。在这样的大背景下,有必要对刚柔性空间多体系统的动力学与控制问题进行深入研究。空间机器人可以取代宇航员进行部分舱外作业,在未来的太空任务中将扮演越来越重要的角色。对于自由漂浮空间机器人,由于机械臂与基座之间的强动力学耦合作用,可以通过机械臂的关节运动实现基座的姿态改变,从而使机械臂和基座同时到达期望姿态。此外,考虑到空间机械臂具有轻质的特点,为了获得空间机器人的高控制精度和良好的控制性能,有必要考虑机械臂柔性对系统姿态造成的影响。本文针对空间多体系统的姿态动力学与控制问题,基于伪谱法对平面柔性空间机器人、三维刚性空间机器人和柔性航天器太阳帆板等刚柔性空间多体系统的姿态运动规划与轨迹跟踪控制问题进行了研究。主要内容如下:一,基于拉格朗日方法建立平面柔性空间机器人、三维刚性空间机器人和柔性航天器太阳帆板等刚柔性空间多体系统的动力学模型。其中,柔性分体的弹性变形利用假设模态法近似描述。二,介绍了伪谱法的相关知识。给出了利用伪谱法求解姿态运动规划问题和利用间接伪谱法求解轨迹跟踪控制问题的基本原理和计算流程。三,针对自由漂浮空间机器人姿态运动规划和柔性航天器太阳帆板展开过程的最优控制问题,利用伪谱法将这类刚柔性空间多体系统的姿态运动规划问题转化为非线性规划问题,再利用序列二次规划算法求解该非线性规划问题,得到这类空间多体系统的优化运动轨迹和最优控制输入。四,在存在较小状态初值扰动情况下,利用间接伪谱法对伪谱法求解得到的这类刚柔性空间多体系统最优参考轨迹进行轨迹跟踪控制。将状态方程在已知的参考轨迹上线性化处理,利用庞特里亚金极值原理将轨迹跟踪问题转化为两点边值问题,再利用伪谱法离散该两点边值问题,整理得到系统的闭环最优反馈控制律,该过程无需任何积分计算,具有很好的实时性和在线计算能力。论文基于伪谱法研究了自由漂浮空间机器人、柔性航天器太阳帆板等刚柔性空间多体系统的姿态运动规划与轨迹跟踪控制问题,提出的姿态运动规划和轨迹跟踪控制算法对空间机器人的应用具有一定的理论价值和工程意义。
【学位授予单位】：北京信息科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V448.2
【图文】：

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【参考文献】