自由漂浮空間機器人路徑規(guī)劃及控制方法研究.pdf

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1、博士學(xué)位論文自由漂浮空間機器人路徑規(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月國內(nèi)圖書分類號：V412.4學(xué)校代碼：10213國際圖書分類號：629.78密級：公開工學(xué)博士學(xué)位論文自由漂浮空間機器人路徑規(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)及機器人技術(shù)的發(fā)展，自由漂浮空間機器人對空間在軌服務(wù)領(lǐng)域的重要性也不斷增加，并逐漸替代航天員執(zhí)行危險的艙

4、外任務(wù)，同時也擴大了任務(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)費的目的。而對于自由漂浮空間機器人來說，任務(wù)過程中的路徑規(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器人為研究背景，對路徑規(guī)劃、路徑跟蹤控制及空間機器人系統(tǒng)姿態(tài)控制問題展開了深入的研究。主要研究內(nèi)容包括：考慮到傳統(tǒng)路徑規(guī)劃方法對基座衛(wèi)星擾動較大問題，提出了一種基于控制變量參數(shù)化的自由漂浮空間機器人路徑規(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、問題。首先，將任務(wù)空間內(nèi)點對點路徑規(guī)劃問題描述為以基座衛(wèi)星擾動最小為目標(biāo)函數(shù)，同時滿足初始時刻和末端時刻的邊界約束條件，以及運動過程中的路徑約束條件的最優(yōu)控制問題。然后，利用控制變量參數(shù)化方法將最優(yōu)控制問題進(jìn)行離散化處理，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為非線性規(guī)劃問題并求解，最終得到自由漂浮空間機器人末端執(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，并具有較高的求解精度。為了提高自由漂浮空間機器人路徑規(guī)劃的計算效率，滿足實時性要求，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、間機器人路徑規(guī)劃方法。利用多段Gauss偽譜法將規(guī)劃時間進(jìn)行分段，使Jacobian矩陣變?yōu)橄∈桕?，從而提高了求解效率，但仍無法滿足實時性要求。為此，進(jìn)一步提出了基于hp-自適應(yīng)Gauss偽譜法的空間機器人路徑規(guī)劃方法，設(shè)計了hp-自適應(yīng)決策變量，能夠在不滿足精度要求的時間單元上，自適應(yīng)地選擇將時間單元細(xì)分或者增加時間單元上的配點數(shù)量，解決了其他路徑規(guī)劃方法無法實現(xiàn)實時性的問題。同時，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題。仿真結(jié)

7、果表明，該算法能夠滿足實時性要求。針對運動空間存在障礙物的自由漂浮空間機器人系統(tǒng)，提出了基于非線性模型預(yù)測控制的軌跡跟蹤控制方法，解決了自由漂浮空間機器人軌跡跟蹤過程中對實時障礙物的規(guī)避問題。該方法在每個時刻以跟蹤誤差最小為性能指標(biāo)，同時滿足路徑約束及障礙物約束等約束條件，優(yōu)化得到一組有限時域最優(yōu)控制序列，并將控制序列第一個控制量作為該時刻實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)位論文時刻重復(fù)進(jìn)行優(yōu)化。同時，提出了一種任務(wù)空間中用來描述障礙物規(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，實現(xiàn)自由漂浮空間機器人規(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)，同時實現(xiàn)對障礙物的規(guī)避。針對存在轉(zhuǎn)動慣量不確定性和外部干擾力矩的撓性自由漂浮空間機器人系統(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)計控制器中引入實時參數(shù)更新策略對干擾力矩進(jìn)行估計，并且不含有轉(zhuǎn)動慣量矩陣，克服了傳統(tǒng)滑?？刂破餍枰@取轉(zhuǎn)動慣量參數(shù)及干擾力矩上界的缺點。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