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1、博士學(xué)位論文自由漂浮空間機(jī)器人路徑規(guī)劃及控制方法研究RESEARCHONPATHPLANNINGANDCONTROLMETHODFORFREE-FLOATINGSPACEROBOT曾祥鑫哈爾濱工業(yè)大學(xué)2018年7月國(guó)內(nèi)圖書(shū)分類(lèi)號(hào)：V412.4學(xué)校代碼：10213國(guó)際圖書(shū)分類(lèi)號(hào)：629.78密級(jí)：公開(kāi)工學(xué)博士學(xué)位論文自由漂浮空間機(jī)器人路徑規(guī)劃及控制方法研究博士研究生：曾祥鑫導(dǎo)師：崔平遠(yuǎn)教授副導(dǎo)師：崔乃剛教授申請(qǐng)學(xué)位：工學(xué)博士學(xué)科：航空宇航科學(xué)與技術(shù)所在單位：航天學(xué)院答辯日期：2018年7月授予學(xué)位單位：哈爾
2、濱工業(yè)大學(xué)ClassifiedIndex:V412.4U.D.C.:629.78DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONPATHPLANNINGANDCONTROLMETHODFORFREE-FLOATINGSPACEROBOTCandidate：ZengXiangxinSupervisor：Prof.CuiPingyuanSecondarySupervisor：Prof.CuiNaigangAcademicDegreeAppliedf
3、or：DoctorofEngineeringSpeciality：AeronauticalandAstronauticalScienceandTechnologyAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefence：July,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要隨著空間科學(xué)及機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，自由漂浮空間機(jī)器人對(duì)空間在軌服務(wù)領(lǐng)域的重要性也不斷增加，并逐漸替代航天員執(zhí)行危險(xiǎn)的艙
4、外任務(wù)，同時(shí)也擴(kuò)大了任務(wù)的可達(dá)工作空間，從而達(dá)到了提高執(zhí)行任務(wù)效率和減少空間經(jīng)費(fèi)的目的。而對(duì)于自由漂浮空間機(jī)器人來(lái)說(shuō)，任務(wù)過(guò)程中的路徑規(guī)劃與控制方法是能否順利完成在軌服務(wù)的基礎(chǔ)，也是需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。本文以自由漂浮空間機(jī)器人為研究背景，對(duì)路徑規(guī)劃、路徑跟蹤控制及空間機(jī)器人系統(tǒng)姿態(tài)控制問(wèn)題展開(kāi)了深入的研究。主要研究?jī)?nèi)容包括：考慮到傳統(tǒng)路徑規(guī)劃方法對(duì)基座衛(wèi)星擾動(dòng)較大問(wèn)題，提出了一種基于控制變量參數(shù)化的自由漂浮空間機(jī)器人路徑規(guī)劃方法，給出了完整的理論收斂性證明，解決了目前控制變量參數(shù)化方法缺少理論收斂性證明的
5、問(wèn)題。首先，將任務(wù)空間內(nèi)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)路徑規(guī)劃問(wèn)題描述為以基座衛(wèi)星擾動(dòng)最小為目標(biāo)函數(shù)，同時(shí)滿(mǎn)足初始時(shí)刻和末端時(shí)刻的邊界約束條件，以及運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的路徑約束條件的最優(yōu)控制問(wèn)題。然后，利用控制變量參數(shù)化方法將最優(yōu)控制問(wèn)題進(jìn)行離散化處理，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為非線(xiàn)性規(guī)劃問(wèn)題并求解，最終得到自由漂浮空間機(jī)器人末端執(zhí)行器的最優(yōu)路徑。仿真結(jié)果表明，所提方法有效減小了基座衛(wèi)星姿態(tài)的擾動(dòng)，并具有較高的求解精度。為了提高自由漂浮空間機(jī)器人路徑規(guī)劃的計(jì)算效率，滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求，提出了基于多段Gauss偽譜法和hp-自適應(yīng)Gauss偽譜法的自由漂浮空
6、間機(jī)器人路徑規(guī)劃方法。利用多段Gauss偽譜法將規(guī)劃時(shí)間進(jìn)行分段，使Jacobian矩陣變?yōu)橄∈桕?，從而提高了求解效率，但仍無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求。為此，進(jìn)一步提出了基于hp-自適應(yīng)Gauss偽譜法的空間機(jī)器人路徑規(guī)劃方法，設(shè)計(jì)了hp-自適應(yīng)決策變量，能夠在不滿(mǎn)足精度要求的時(shí)間單元上，自適應(yīng)地選擇將時(shí)間單元細(xì)分或者增加時(shí)間單元上的配點(diǎn)數(shù)量，解決了其他路徑規(guī)劃方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性的問(wèn)題。同時(shí)，給出了hp-自適應(yīng)Gauss偽譜法收斂性的理論證明，解決了hp-自適應(yīng)Gauss偽譜法缺少相關(guān)理論收斂性證明的問(wèn)題。仿真結(jié)
7、果表明，該算法能夠滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求。針對(duì)運(yùn)動(dòng)空間存在障礙物的自由漂浮空間機(jī)器人系統(tǒng)，提出了基于非線(xiàn)性模型預(yù)測(cè)控制的軌跡跟蹤控制方法，解決了自由漂浮空間機(jī)器人軌跡跟蹤過(guò)程中對(duì)實(shí)時(shí)障礙物的規(guī)避問(wèn)題。該方法在每個(gè)時(shí)刻以跟蹤誤差最小為性能指標(biāo)，同時(shí)滿(mǎn)足路徑約束及障礙物約束等約束條件，優(yōu)化得到一組有限時(shí)域最優(yōu)控制序列，并將控制序列第一個(gè)控制量作為該時(shí)刻實(shí)際控制量作用于系統(tǒng)，在下一-I-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文時(shí)刻重復(fù)進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)，提出了一種任務(wù)空間中用來(lái)描述障礙物規(guī)避的不等式約束，并將其作為約束條件考慮到軌跡
8、跟蹤控制中，實(shí)現(xiàn)自由漂浮空間機(jī)器人規(guī)避障礙物的目的。仿真結(jié)果表明，該方法能夠有效完成路徑跟蹤任務(wù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙物的規(guī)避。針對(duì)存在轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不確定性和外部干擾力矩的撓性自由漂浮空間機(jī)器人系統(tǒng)，提出了基于自適應(yīng)滑模變結(jié)構(gòu)控制的姿態(tài)控制器。所設(shè)計(jì)控制器中引入實(shí)時(shí)參數(shù)更新策略對(duì)干擾力矩進(jìn)行估計(jì)，并且不含有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量矩陣，克服了傳統(tǒng)滑?？刂破餍枰@取轉(zhuǎn)動(dòng)慣量參數(shù)及干擾力矩上界的缺點(diǎn)。此外，進(jìn)一步考慮系統(tǒng)的輸入飽和，提出了另一種自適應(yīng)滑模變
