基于机器学习的空间机械臂动力学模型研究

发布时间：2022-02-19 03:21

　　随着对载人航天事业的不断发展和航空航天技术的不断提升,空间机械臂已经在正常太空活动和航天任务中得到了广泛的应用,其技术水平已成为各国航天水平的重要评判指标。建立精确的动力学模型是实现空间机械臂高精度运动和控制的关键,但在实际使用中,空间机械臂总会受到各种各样的不确定问题的影响,动力学模型往往会因此而出现偏差。因此,本文以空间机械臂为对象,针对动力学建模的不确定性问题,开展机械臂动力学建模算法研究,重点分析了基于机理的空间机械臂动力学建模方法与基于高斯过程的空间机械臂动力学建模方法,并在此基础上提出了两种模型相结合的基于高斯过程的空间机械臂半参数动力学建模方法,并对三种算法进行了仿真实验和对比分析,验证了基于高斯过程的动力学建模方法对于解决动力学不确定性问题的可行性。论文完成的主要工作及获得的结论如下:首先,本文采用拉格朗日法分别对空间机械臂的刚性模型和柔性关节模型进行了建模,得到了基于机理的空间机械臂动力学公式,并在此基础上对动力学不确定性问题进行了描述;其次,根据高斯过程的特点,本文将高斯过程应用于空间机械臂建模中。介绍了使用高斯过程拟合机械臂动力学系统的过程,给出了基于高斯过程的刚... 

【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省211工程院校985工程院校

【文章页数】：89 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 课题来源
    1.2 课题研究背景和意义
    1.3 空间机械臂的研究现状
        1.3.1 国外空间机械臂的研究现状
        1.3.2 国内空间机械臂的研究现状
    1.4 空间机械臂动力学建模的研究现状
        1.4.1 刚性空间机械臂动力学建模研究现状
        1.4.2 柔性空间机械臂动力学建模研究现状
    1.5 人工智能在机械臂动力学建模上的研究现状
        1.5.1 局部加权投影回归算法
        1.5.2 高斯过程回归
        1.5.3 深度学习
    1.6 国内外研究现状综述
    1.7 主要研究内容
第2章 基于机理的空间机械臂动力学建模
    2.1 引言
    2.2 漂浮基刚性空间机械臂动力学建模方法
        2.2.1 刚性空间机械臂系统
        2.2.2 基座位置不受控、姿态受控的欠驱动形式的动力学模型
        2.2.3 基座位置不受控、姿态受控的完全驱动形式的动力学模型
    2.3 漂浮基柔性关节空间机械臂动力学建模方法
    2.4 本章小结
第3章 基于高斯过程的空间机械臂动力学建模
    3.1 引言
    3.2 基于高斯过程的数据拟合概述
        3.2.1 高斯过程回归描述
        3.2.2 核函数
    3.3 基于高斯过程的空间机械臂建模原理
        3.3.1 刚性空间机械臂的高斯过程动力学模型
        3.3.2 柔性关节空间机械臂的高斯过程动力学模型
    3.4 本章小结
第4章 基于高斯过程的空间机械臂半参数模型
    4.1 半参数模型原理
        4.1.1 概述
        4.1.2 半参数模型的数学描述
    4.2 基于高斯过程的刚性空间机械臂的半参数动力学模型
        4.2.1 刚性空间机械臂动力学模型的不确定性问题偏差项的描述
        4.2.2 漂浮基刚性空间机械臂半参数模型
    4.3 基于高斯过程的柔性空间机械臂半参数模型
        4.3.1 柔性关节空间机械臂动力学模型的不确定性问题描述
        4.3.2 柔性关节空间机械臂的高斯过程半参数模型
    4.4 本章小结
第5章 基于高斯过程的动力学模型的仿真验证分析
    5.1 引言
    5.2 仿真环境的搭建
        5.2.1 漂浮基刚性空间机械臂的仿真环境
        5.2.2 漂浮基柔性关节空间机械臂的仿真环境
    5.3 刚性空间机械臂模型的训练和仿真
        5.3.1 数据集的生成
        5.3.2 模型的拟合效果
        5.3.3 模型的长期预测效果
    5.4 柔性关节空间机械臂模型的训练和仿真
        5.4.1 数据集的生成
        5.4.2 模型的拟合效果
        5.4.3 模型的长期预测效果
    5.5 本章小结
结论
参考文献
附录一
附录二
攻读硕士学位期间发表的学术论文
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]SCARA机器人高斯过程动力学建模研究[J]. 王郝,刘海瑞,邹上元,刘艳梨.  机械设计与制造. 2019(10)
[2]考虑含间隙关节的漂浮基空间机械臂动力学输出特性研究[J]. 谷勇霞,张玉玲,赵杰亮,阎绍泽.  机械工程学报. 2019(03)
[3]机械臂动力学建模及控制仿真[J]. 刘鹏,王强,张伟.  自动化与仪表. 2017(03)
[4]空间机械臂建模及分析方法综述[J]. 郑棋棋,汤奇荣,张凌楷,黎杰,谢宗武,刘宏.  载人航天. 2017(01)
[5]基于向量对方法的柔性空间机械臂建模与仿真[J]. 林倩,袁军.  空间控制技术与应用. 2016(02)
[6]双柔性空间机械臂动力学建模与控制[J]. 杨永泰,荣吉利,李健,刘宾,胡成威.  兵工学报. 2014(07)
[7]旋转运动柔性梁的假设模态方法研究[J]. 蔡国平,洪嘉振.  力学学报. 2005(01)
[8]空间柔性臂的解耦动力学模型及其控制[J]. 王光庆,郭吉丰.  宇航学报. 2004(05)
[9]EMR系统机器人运动学和工作空间的分析[J]. 黄献龙,梁斌,陈建新,吴宏鑫.  控制工程. 2000(03)
[10]空间机器人的动力学等价机械臂[J]. 梁斌,刘良栋,李庚田.  自动化学报. 1998(06)



本文编号：3632113