面向空间捕获的机器人路径规划与控制器设计

摘要

空间机器人，特别是具有自主性的空间机器人在空间捕获任务中具有广泛的应用和很好的优越性。为了实现空间机器人在捕获目标过程中的自主性、运动轨迹规划以及稳定的轨迹跟踪控制等任务要求，本文考虑自由漂浮空间机器人系统，给出了运动学方程和动力学方程，重点研究空间机器人系统在捕获过程中遇到障碍物的情况下如何安全的到达目标位置的路径规划问题，空间机器人运动轨迹规划的时间最优控制问题以及考虑模型不确定性与外加干扰的轨迹跟踪控制问题。研究内容具体包括以下四个方面。
　　第一，本文首先建立了空间机器人系统的模型，并且给出了空间机器人系统的运动方程；利用拉格朗日方程建立了空间机器人系统的关节空间的动力学模型，作为后面章节的研究基础。
　　第二，针对空间捕获过程中存在障碍物的情况，本文采用基于人工势场函数的方法在关节空间进行路径规划。首先利用机械臂和障碍物的几何构型特点，采用碰撞检测的方法，将空间中的障碍物转换到关节空间，得到关节空间中的障碍区域和自由区域，在关节空间建立人工势场，由于人工势场存在局部极小值的缺点，本文提出了一种力的合成规则来解决这个问题。最后在关节空间进行路径搜索，得到一条没有和障碍物碰撞的路径。
　　第三，针对空间捕获运动轨迹规划控制问题，把其转换成具有标准型的最优控制问题，本文采用控制参数化思想、时间尺度变换技术与约束变换技术把上述最优控制问题构造成为参数优化问题。在优化过程中考虑目标泛函与约束条件泛函，并给出泛函对于参数的显式梯度公式，然后采用优化算法计算出一组近似解，通过增加分段点数量一直到得到满意的最优解为止。最后，对自由漂浮空间机器人系统进行了仿真与分析。
　　第四，考虑到实际的轨迹运动中存在外界干扰和模型的不确定性等因素的影响，给出了具有扰动情形下的空间机器人系统的动力学模型，提出了一种能够在有限时间收敛并且具有鲁棒性和抗干扰性能的非奇异快速终端滑模面，基于提出的滑模面对空间机械臂轨迹跟踪问题进行控制器设计。所设计的控制器很好的解决了有扰动情况下的轨迹跟踪问题，通过仿真分析验证了该方法的鲁棒性和抗干扰性能。

目录

面向空间捕获的机器人路径规划与 控制器设计

PATH PLANNING AND CONTROLLER DESIGN FOR SPACE TARGET CAPTURING MANIPULATOR

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1 课题的来源及研究的目的和意义

1.1.1 课题来源

1.1.2 研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状和发展动态

1.2.1 国内外空间机器人发展项目概况

1.2.2 空间机器人路径规划方法的研究状况

1.2.3 空间机器人控制的研究状况

1.3 本论文研究的主要内容

第2章 空间机器人的运动学与动力学方程

2.1 引言

2.2 空间机器人系统的运动学建模

2.2.1 模型假设

2.2.2 运动学分析

2.3 空间机器人的动力学建模

2.3.1 基本方程

2.3.2 动力学方程

2.4 本章小结

第3章 空间捕获路径规划

3.1 引言

3.2 基于人工势场函数方法的空间捕获避障路径规划

3.2.1 笛卡尔空间转化为关节空间

3.2.2 人工势场函数

3.2.3 人工势场函数法中局部极小点问题解决方法

3.2.4 机器人避障路径规划算法

3.3 仿真分析

3.4 本章小结

第4章 空间机器人运动规划时间最优控制

4.1 引言

4.2 机器人运动规划时间最优控制问题的描述

4.3 基于参数化方法的控制器设计

4.3.1 最优化问题的描述

4.3.2 控制参数化

4.3.3 时间尺度变换

4.3.4 约束变换技术

4.4 空间机器人时间最优控制器的设计

4.5 仿真分析

4.6 本章小结

第5章 空间机器人的轨迹跟踪控制

5.1 引言

5.2 问题描述

5.3 空间机器人轨迹跟踪控制器的设计

5.3.1 滑模面的分析与设计

5.3.2 跟踪控制器的设计和稳定性分析

5.4 仿真分析

5.5 本章小结

结 论

参考文献

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致 谢