空间机器人抓捕逼近段位姿耦合协同控制

发布时间：2017-12-12 19:17

  本文关键词：空间机器人抓捕逼近段位姿耦合协同控制

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【摘要】：为了保障空间机器人在复杂的太空环境中正常工作,在轨服务技术已成为各国研究的焦点问题。空间机器人抓捕就是其中的一项重要技术,它是指在无人干预的情况下,对指定目标实施抓捕。空间机器人位置和姿态的协同控制是顺利完成抓捕的基础。由于空间机器人在上述过程中位姿运动会产生耦合现象,给系统的协同控制带来了困难。为此,本文研究了空间机器人抓捕逼近段的位姿耦合协同控制问题以及其参数优化问题。首先,针对追踪空间机器人逼近过程,建立了相对于目标空间机器人的动力学模型。为便于描述空间机器人的绕地运动,建立了地球惯性坐标系、空间机器人本体坐标系以及追踪空间机器人与目标空间机器人的相对坐标系;将空间机器人在宇宙中的平移和旋转近似为刚体的螺旋运动,利用对偶四元数描述其运动状态,在相应的坐标系下推导出空间机器人的运动学方程,并根据动量定理得出其动力学方程;考虑追踪空间机器人与目标空间机器人本体坐标系之间的相对螺旋运动,推导出两者之间的相对运动学方程和相对动力学方程,并分析证明了相对动力学方程中平移运动与旋转运动的耦合性。其次,基于空间机器人相对动力学模型,设计了位姿耦合协同控制器。将信息拓扑图理论和一致性理论引入多智能体状态分析中,设计了基于二阶一致性的位置协同控制器并证明其稳定性,仿真表明了一致性协同控制算法可使多智能体状态趋于一致;在无向通信拓扑条件下,以一个目标空间机器人和两个追踪空间机器人为例,设计出一种基于二阶一致性算法的空间机器人位姿耦合协同控制器,该控制器保证了抓捕逼近段追踪空间机器人的相对位置、姿态和速度等均收敛于期望值,利用仿真结果证明了该方法实现抓捕逼近段追踪空间机器人与目标空间机器人的位置和姿态协同控制的有效性。最后,针对位姿耦合协同控制器参数进行了优化。以降低系统瞬态响应和最小化系统控制力和力矩为依据选取适应度函数,通过使其取值最小来确定粒子群的群体最优值,将混沌思想引入粒子群算法中,避免了粒子过早地陷入局部最优的现象,采用混沌粒子群算法对空间机器人抓捕逼近段的位姿耦合协同控制器进行参数优化,将参数优化后的控制器与原控制器进行仿真对比分析,仿真结果表明,优化后的控制系统收敛时间变短,证明粒子群算法能够有效改善位姿耦合协同控制器的控制性能。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242

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本文编号：1283651