空间机器人目标捕获的自主控制策略研究

发布时间：2020-06-15 02:04

【摘要】：在过去的40年中,空间机器人在太空探索中发挥着非常重要的作用。空间机器人在轨服务技术有助于故障卫星在轨生命维持以及废弃卫星安全脱轨,且基于空间机器人的目标捕获是在轨服务的重要环节。依此为研究背景,本文对目标捕获任务不同阶段的空间机器人自主控制策略进行了深入研究,在此基础上,建立空间机械臂在环的空间机器人地面验证系统,开展目标捕获实验研究。主要研究内容包括以下几个方面:首先研究了目标卫星观测阶段空间机器人的基座姿态保持和末端姿态调整控制问题。空间机器人利用机械臂与基座的动力学耦合主动保持或者调整基座姿态。此阶段的运动规划任务包括基座姿态保持/调整、末端姿态调整、末端位置保持优化任务以及约束任务。本文基于关节空间任务补偿方法构建混合任务优先级运动规划算法,算法旨在完成多任务下的空间机械臂末端手眼相机视角调整,且关节空间任务补偿策略可以保证所提算法中无算法奇异。在高优先级基座姿态保持/调整任务的加权伪逆零空间内实现其他任务,可以保证在多约束任务下基座姿态保持/调整控制任务的精度,提高了空间机器人安全操作能力。通过建立空间机器人数值仿真平台,验证空间机器人运动控制算法的有效性。针对目标卫星接近阶段空间机械臂的运动引起的卫星基座扰动问题,本文对基于关节角速度伺服的卫星基座反作用力矩优化控制进行研究。此阶段需精确地控制空间机械臂末端的位置和姿态。首先基于牛顿-欧拉法建立空间机器人的反作用力矩解析式,由于空间机器人处于不同模式下反作用力矩可以表示为同样的解析形式,因此采用相同的离散化求解策略得到基于关节角速度伺服跟踪的控制律以实现反作用力矩优化;针对自由漂浮空间机械臂,采用六维空间矢量建立反作用力矩的无关节角加速度的解析式,据此,采用零空间法得到自由漂浮空间机器人基座姿态最小扰动控制算法。通过仿真验证,本文所述的反作用力矩控制算法可以实现空间机器人基座最小扰动控制。针对目标卫星捕获阶段的柔顺控制问题,本文对面向目标捕获的任务优先级阻抗控制进行了研究。针对卫星发动机喷管捕获任务,定义位置方向上阻抗控制为高优先级主任务,姿态方向上阻抗控制为低优先级主任务,主任务的零空间内实现关节阻抗控制以缓冲机械臂对卫星基座的扰动力/力矩,以此建立基于任务优先级的柔顺捕获控制框架。此外,在锁紧机构锁紧前,捕获装置需要在跟踪目标轨迹的同时保证柔顺接触,机械臂处于笛卡尔阻抗控制模式;在锁紧机构锁紧过程中,锁紧机构顺应目标运动,机械臂处于笛卡尔零力控制模式,并通过自适应柔顺控制器提高捕获过程中由于视觉提供参考位置不准确情况下的力控制性能。通过对空间机器人捕获目标的实际仿真验证了算法的有效性。为了验证本文所提出的空间机器人运动控制与柔顺控制算法,本文搭建了基于九自由度转台和七自由度机械臂的空间机器人地面实验系统。该地面试验系统的特点是:系统具有较好的可扩展性,经过适当的修改可以适用于不同条件下的目标捕获控制实验研究;系统中包括真实的机械臂硬件系统,可以真实地模拟空间机器人的数据通信;此外空间机械臂在环的实验系统可以有效地验证目标卫星接触捕获阶段的柔顺控制策略。空间机器人目标捕获地面实验结果表明:空间机器人混合优先级运动控制算法可以实现基座姿态保持控制的同时末端相机视角的调整;空间机器人反作用力矩的在线优化控制律可以减小机械臂在运动过程中对基座姿态的干扰;任务优先级柔顺控制策略可以保证目标捕获任务的自主安全捕获。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP242
【图文】：

哈尔滨工业大学工学博士学位论文捕获端大致呈锥形，其最末端可以深入喷管喉部并且锁紧喉部，以实现非合目标卫星的对接捕获[108]。此类型的“杆-锥”对接机构具有较大的捕获容差且工具本身与卫星发动机喷管具有较好的捕获契合度。哈尔滨工业大学（HIHarbin Institute of Technology）也设计了针对卫星发动机喷管的“杆-锥”目卫星捕获工具，该工具集成激光测距以及目标捕获机构于一体，同时外部轮采用水滴现形状以更好的实喷管目标捕获[109]，如图 1-3。美国 DARPA（DefenAdvanced Research Projects Agency）于 2015 年开展的 FREND（Front-ERobotics Enabling Near-Term Demonstration）计划，项目中采用了三指式夹器对接装置，如图 1-4，该装置作为空间机械臂的末端执行器，用于捕获非作卫星上的常见通用结构“分离螺旋栓口”以及“火箭环”[110]。此外，欧航天局 ESA 提出了基于绳系空间机器人的非合作目标捕获方案，该方案ESA 的 ROGER 项目的重要环节[111]，洛桑联邦理工学院研制了基于“介电性体最低能量结构”的特殊灵巧手指来清理太空垃圾[112]。

哈尔滨工业大学工学博士学位论文捕获端大致呈锥形，其最末端可以深入喷管喉部并且锁紧喉部，以实现非合目标卫星的对接捕获[108]。此类型的“杆-锥”对接机构具有较大的捕获容差且工具本身与卫星发动机喷管具有较好的捕获契合度。哈尔滨工业大学（HIHarbin Institute of Technology）也设计了针对卫星发动机喷管的“杆-锥”目卫星捕获工具，该工具集成激光测距以及目标捕获机构于一体，同时外部轮采用水滴现形状以更好的实喷管目标捕获[109]，如图 1-3。美国 DARPA（DefenAdvanced Research Projects Agency）于 2015 年开展的 FREND（Front-ERobotics Enabling Near-Term Demonstration）计划，项目中采用了三指式夹器对接装置，如图 1-4，该装置作为空间机械臂的末端执行器，用于捕获非作卫星上的常见通用结构“分离螺旋栓口”以及“火箭环”[110]。此外，欧航天局 ESA 提出了基于绳系空间机器人的非合作目标捕获方案，该方案ESA 的 ROGER 项目的重要环节[111]，洛桑联邦理工学院研制了基于“介电性体最低能量结构”的特殊灵巧手指来清理太空垃圾[112]。

【参考文献】

相关期刊论文 前6条

1 张禹;孙奎;张元飞;刘宏;朱万彬;;用于机械臂末端感知的激光测距传感器设计[J];机器人;2014年05期

2 叶平;何雷;宋爽;孙汉旭;;空间机械臂地面微重力混合模拟方法研究[J];机器人;2013年03期

3 徐文福;李立涛;梁斌;李成;强文义;;空间3R机器人工作空间分析[J];宇航学报;2007年05期

4 祖迪,吴镇炜,谈大龙;一种冗余机器人逆运动学求解的有效方法[J];机械工程学报;2005年06期

5 黄献龙,梁斌,陈建新,吴宏鑫;EMR系统机器人运动学分析和求解[J];宇航学报;2001年02期

6 梁斌,刘良栋,李庚田;空间机器人的动力学等价机械臂[J];自动化学报;1998年06期

相关博士学位论文 前4条

1 霍希建;面向ORU更换的冗余机械臂及其柔顺控制的研究[D];哈尔滨工业大学;2016年

2 刘厚德;双臂空间机器人捕获自旋目标的协调运动规划研究[D];哈尔滨工业大学;2014年

3 史也;空间机器人自主捕获目标的轨迹规划与控制研究[D];哈尔滨工业大学;2013年

4 徐文福;空间机器人目标捕获的路径规划与实验研究[D];哈尔滨工业大学;2007年

相关硕士学位论文 前1条

1 张泽;空间站机械臂电模拟器研制[D];哈尔滨工业大学;2016年

本文编号：2713720