柔性空间机器人姿态运动规划的混合优化策略

自由漂浮是空间机器人执行任务时常用的工作模式,其姿态规划是完成复杂空间任务的基础.针对自由漂浮柔性空间机器人姿态运动规划问题,提出一种由Gauss伪谱法求解可行解与直接打靶法求解更为精确的数值解相结合的混合优化策略.首先,利用假设模态法近似描述柔性臂杆的弹性变形,根据Lagrange方程建立空间机器人系统的动力学模型;然后,利用Gauss伪谱法将空间机器人非完整运动规划问题离散为非线性规划问题,求解在较少Legendre-Gauss(LG)点时状态变量和控制变量对应的可行解,可行解的求解采用从可行解到近似最优解的串行优化策略;最后,在LG点处离散控制变量,作为直接打靶法的初值,利用序列二次规划算法求解最优的控制输入,再通过数值积分得到空间机器人系统姿态运动优化轨迹.通过数值仿真,求解得到的姿态运动曲线光滑平稳,最优控制输入也能很好地满足各种约束条件.结果表明该混合优化策略具有很好的鲁棒性和有效性.     

HYBRID OPTIMIZATION STRATEGY FOR MOTION PLANNING OF SPACE ROBOT SYSTEM WITH PRISMATIC JOINT

研究了自由漂浮带滑移铰空间机器人非完整运动规划的最优控制问题,提出一种由高斯伪谱法求解可行解与直接打靶法求解最优解相结合的混合优化策略.首先,根据多体系统动力学理论建立空间机器人的动力学模型,给定系统的初始和目标位形,将空间机器人运动规划问题描述成博尔察（Bolza）型最优控制问题;然后,利用高斯伪谱法将最优控制问题离散为非线性规划问题,求解在较少勒让德-高斯（Legendre-Gauss,LG）点时状态变量和控制变量对应的可行解;最后,在LG点处离散控制变量,作为直接打靶法的初值,利用序列二次规划算法求解空间机器人系统的优化运动轨迹和最优控制输入.通过数值仿真,系统优化运动轨迹光滑平稳,最优控制输入也能很好地满足各种约束条件,仿真结果验证了该混合优化策略的鲁棒性和有效性.     

带滑移铰空间机器人运动规划的混合优化策略

研究了自由漂浮带滑移铰空间机器人非完整运动规划的最优控制问题,提出一种由高斯伪谱法求解可行解与直接打靶法求解最优解相结合的混合优化策略.首先,根据多体系统动力学理论建立空间机器人的动力学模型,给定系统的初始和目标位形,将空间机器人运动规划问题描述成博尔察(Bolza)型最优控制问题;然后,利用高斯伪谱法将最优控制问题离散为非线性规划问题,求解在较少勒让德-高斯(Legendre--Gauss,LG)点时状态变量和控制变量对应的可行解;最后,在LG点处离散控制变量,作为直接打靶法的初值,利用序列二次规划算法求解空间机器人系统的优化运动轨迹和最优控制输入.通过数值仿真,系统优化运动轨迹光滑平稳,最优控制输入也能很好地满足各种约束条件,仿真结果验证了该混合优化策略的鲁棒性和有效性.     

动态规划求解空间双臂机器人非完整运动最优控制问题

通过自适应动态规划研究自由漂浮空间双臂机器人运动的最优控制问题．针对空间双臂机器人的非完整性运动,采用自适应动态规划(Adaptive Dynamic Programming, ADP)方法求解其最优控制问题．根据多体动力学理论,推导了载体位置、姿态均无控制条件下,双臂空间机器人满足的系统动量守恒关系的非完整约束方程,并将其转化为控制系统的状态方程,从而将双臂空间机器人的非完整运动规划问题转化为对非线性系统的控制问题．文中根据自适应动态规划网络结构,利用神经网络来近似性能指标函数,进而用龙格库塔法求解状态变量．并给出了适合该类问题的一种效用函数具体表达式,保证了空间双臂机器人到达期望位置后不再继续运动．实现了对空间双臂机器人非完整运动规划的最优控制．数值仿真实验验证了ADP对求解空间双臂机器人非完整运动规划最优控制问题的有效性．     

带空间机械臂航天器姿态运动规划的数值算法研究

自由漂浮空间机械臂系统在无外力矩作用时,系统的动量矩守恒而成为非完整系统。利用这一特性本文研究了自由漂浮空间机械臂系统的三维姿态运动规划问题。导出带空间机械臂的航天器三维姿态运动数学模型,将系统的非完整运动规划问题转化为非线性系统最优控制问题,在最优控制中利用小波逼近控制输入规律,提出基于遗传算法的最优控制数值算法。通过数值仿真,表明该方法对带空间机械臂航天器系统的非完整姿态运动规划是有效的。     

一种改进 RRT* 结合四次样条的协调路径规划方法

针对空间机器人抓捕空间非合作目标的在轨服务任务,同时考虑机器人运动学约束和动力学约束,提出一种分层式的自由漂浮双臂空间机器人协调路径规划方法. 首先,在路径规划层面上基于 RRT* 算法分别规划双臂末端执行器在笛卡尔空间下的初始可行路径,为双臂设置独立的采样空间,保证路径规划过程中双臂系统不发生自身碰撞. 然后,在轨迹规划层面上利用四次样条曲线平滑 RRT* 算法生成的初始路径,设计满足样条曲线的一阶、二阶及三阶微分连续约束,同时考虑机械臂末端执行器的初末速度约束条件、初始加速度约束条件,得到适合于空间机器人执行的动力学可行的平滑 轨迹.最后,计算所规划路径的最大速度、最大加速度与机械臂末端执行器物理极限值的比值,取最小上限,即为最少路径规划时间. 所提路径规划方法能够设计出满足特定路径点约束的协调路径,且所设计的路径考虑了机械臂的物理限制条件,通过对自由漂浮双臂空间机器人进行仿真试验,验证了所提路径规划算法的有效性.      

COORDINATED PATH PLANNING BY INTEGRATING IMPROVED RRT$^{\small*}$ AND QUARTIC SPLINE$^{\bf 1)}$

针对空间机器人抓捕空间非合作目标的在轨服务任务,同时考虑机器人运动学约束和动力学约束,提出一种分层式的自由漂浮双臂空间机器人协调路径规划方法. 首先,在路径规划层面上基于 RRT* 算法分别规划双臂末端执行器在笛卡尔空间下的初始可行路径,为双臂设置独立的采样空间,保证路径规划过程中双臂系统不发生自身碰撞. 然后,在轨迹规划层面上利用四次样条曲线平滑 RRT* 算法生成的初始路径,设计满足样条曲线的一阶、二阶及三阶微分连续约束,同时考虑机械臂末端执行器的初末速度约束条件、初始加速度约束条件,得到适合于空间机器人执行的动力学可行的平滑 轨迹.最后,计算所规划路径的最大速度、最大加速度与机械臂末端执行器物理极限值的比值,取最小上限,即为最少路径规划时间. 所提路径规划方法能够设计出满足特定路径点约束的协调路径,且所设计的路径考虑了机械臂的物理限制条件,通过对自由漂浮双臂空间机器人进行仿真试验,验证了所提路径规划算法的有效性.     

自由下落猫姿态最优控制的混合优化策略

研究猫自由下落时的转体运动对探索宇航员在太空失重状态下的空间运动规律具有重要的参考价值.针对猫自由下落时四肢先着地现象的姿态最优控制问题,提出一种由Gauss伪谱法求解可行解与直接打靶法求解最优精确解相结合的混合优化策略.首先,根据猫在自由下落过程中的角动量守恒原理,推导出简化后的两对称刚体系统的非完整姿态运动方程;然后基于Gauss伪谱法将此无漂移系统的姿态非完整运动规划问题离散为非线性规划问题,并在不考虑实际性能指标函数的条件下利用序列二次规划算法求解此非线性规划问题在较少节点时对应的控制变量可行解,再通过三次样条插值获取较多节点时的控制变量值;最后基于直接打靶法将插值得到的控制值作为序列二次规划算法的初始猜测值,从而求解得到最优的控制输入,再代入系统姿态运动方程,通过数值积分得到落体猫的转体姿态运动曲线.通过数值仿真,求解得到的姿态运动曲线是光滑的,能以较高的精度到达预定的目标姿态;最优控制输入也能满足预先设计的零边界控制要求以及最大控制要求;结果表明了此混合优化策略具有较强的鲁棒性和有效性.     

闭环双臂空间机器人系统运动规划的双向逼近方法

讨论了载体位置、姿态均不受控制的闭环双臂空间机器人系统的非完整运动规划问题. 以系统动量、动量矩守恒关系及几何约束条件为基础，建立了控制设计所需的系统状态方程； 并通过对状态方程应用双向Lyapunov方法，获得了机械臂关节角的控制输入方程，从而达到 对载体姿态及机械臂关节角的双重控制效果. 该方法的优点是减少了载体姿态控制燃料的消 耗，有效地延长了空间机器人系统的使用寿命. 通过一个平面自由漂浮闭环双臂空间机器人系统 的数值仿真，证明了方法的有效性.     

带可控臂绳系卫星释放及姿态控制

考虑带可控机械臂绳系卫星的面内运动, 研究其释放阶段的子星位置和姿态控制问题. 系绳释放时, 通过调整机械臂转角实现子星姿态的无动量轮控制. 控制律设计分为两步: 首先, 基于非线性最优控制理论, 研究在状态和控制约束下的子星位置及其姿态控制, 通过二阶Legendre伪谱法求解开环最优控制律; 其次, 以开环解为参考, 基于轨迹跟踪思想设计反馈控制器, 其中反馈控制增益由开环最优控制算法及数值插值确定. 最后通过算例研究验证了该方法的有效性.      

Based on wavelet analysis to optimal control of motion planning of space manipulator

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＲｅｃｅｎｔｌｙ ,ｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅｐｅｏｐｌｅｐａｙａｔｔｅｎｔｉｏｎｔｏｔｈｅｎｏｎｈｏｌｏｎｏｍｉｃｍｏｔｉｏｎｐｌａｎｎｉｎｇｏｆｓｐａｃｅｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ[1～4].Ｓｐａｃｅｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｉｓａｔｙｐｉｃａｌｍｕｌｔｉｂｏｄｙｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｏｕｔｒｏｏｔ.Ｗｈｅｎｔｈｅｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｉｓｏｐｅｒａｔｅｄ ,ａｎｄａｔｔｉｔｕｄｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅｓｐａｃｅｖｅｈｉｃｌｅｉｓｓｗｉｔｃｈｅｄｏｆｆ,ｒｅｌａｔｉｖｅｍｏｔ…     

漂浮基空间机械臂关节轨迹跟踪的增广鲁棒控制方法

讨论了载体位置与姿态均不受控制的漂浮基空间机械臂系统的控制问题。基于增广变量法,解决了空间机械臂系统的控制方程关于系统惯性参数的非线性化问题;保持了控制方程关于系统惯性参数的线性关系。在此基础上,针对系统载荷参数不确定的情况下,提出了关节空间轨迹追踪 的增广鲁棒控制方法,并应用Lyapunov直接方法证明了 提到的控制方案能使系统满足渐近稳定性条件。通过仿真运算,证实了方法的有效性。     

Optimal control of stretching process of flexible solar arrays on spacecraft based on a hybrid optimization strategy

The optimal control of multibody spacecraft during the stretching process of solar arrays is investigated,and a hybrid optimization strategy based on Gauss pseudospectral method(GPM) and direct shooting method(DSM) is presented. First, the elastic deformation of flexible solar arrays was described approximately by the assumed mode method, and a dynamic model was established by the second Lagrangian equation. Then, the nonholonomic motion planning problem is transformed into a nonlinear programming problem by using GPM. By giving fewer LG points, initial values of the state variables and control variables were obtained. A serial optimization framework was adopted to obtain the approximate optimal solution from a feasible solution. Finally, the control variables were discretized at LG points, and the precise optimal control inputs were obtained by DSM. The optimal trajectory of the system can be obtained through numerical integration. Through numerical simulation, the stretching process of solar arrays is stable with no detours, and the control inputs match the various constraints of actual conditions.The results indicate that the method is effective with good robustness.     

倾斜轨道电动力绳系卫星回收控制

考虑电动力影响,建立了倾斜轨道绳系卫星系统的动力学模型,研究了子星回收过程的非线性最优控制. 应用Legendre伪谱算法,将连续时间最优控制问题离散化,进而利用非线性规划方法进行求解,通过数值模拟验证了方法的有效性. 结果表明,在满足相关约束的条件下,通过调节系绳张力和电动力,可将子星回收到靠近主星的指定位置.      

勒让德伪谱法求解三维刚体摆姿态运动最优控制问题

研究伪谱法求解三维刚体摆姿态运动最优控制问题. 针对三维刚体摆这类含有约束的力学模型,提出了基于勒让德伪谱法的三维刚体摆姿态最优控制方法. 利用插值逼近设计了三维刚体摆姿态运动最优控制算法,得到了三维刚体摆的姿态最优控制轨迹,并结合松弛参数来控制插值点的取值,寻找满足的可行解. 仿真结果表明,基于勒让德伪谱法的最优控制算法使得三维刚体摆能以较小的误差运动到期望的末端姿态,且计算速度快,能够获得精度较高的控制输入量.     

Trajectory planning in parallel kinematic manipulators using a constrained multi-objective evolutionary algorithm

Generating manipulator trajectories considering multiple objectives with kinematics and dynamics constraints is a non-trivial optimization. In this paper, a constrained multi-objective genetic algorithm (MOGA) based technique is proposed to address this problem for a general motor-driven parallel kinematic manipulator. The planning process is composed of searching for a motion ensuring the accomplishment of the assigned task, minimizing the traverse time, and expended energy subject to various constraints imposed by the associated kinematics and dynamics of the manipulator. This problem is treated via an adequate parametric path representation in the task space of the moving platform, and then the use of the constrained MOGA for solving the resulted nonlinear multi-objective optimization problem. Simulation results are presented for the trajectories of the parallel kinematic manipulator, and a subsequent comparison with the weighted sum method is also carried out.     

An evolutionary approach for the motion planning of redundant and hyper-redundant manipulators

The trajectory planning of redundant robots is an important area of research and efficient optimization algorithms are needed. The pseudoinverse control is not repeatable, causing drift in joint space which is undesirable for physical control. This paper presents a new technique that combines the closed-loop pseudoinverse method with genetic algorithms, leading to an optimization criterion for repeatable control of redundant manipulators, and avoiding the joint angle drift problem. Computer simulations performed based on redundant and hyper-redundant planar manipulators show that, when the end-effector traces a closed path in the workspace, the robot returns to its initial configuration. The solution is repeatable for a workspace with and without obstacles in the sense that, after executing several cycles, the initial and final states of the manipulator are very close.     

TRAJECTORY TRACKING CONTROL AND VIBRATION SUPPRESSION OF SPACE-BASED ROBOT WITH ELASTIC FOUNDATION

讨论了基座存在弹性情况下,载体位置无控、姿态受控的漂浮基空间机械臂惯性空间轨迹跟踪控制及基座弹性振动主动抑制问题。由系统位置几何关系及动量守恒关系,建立了系统运动Jacobi 关系;之后利用拉格朗日方法并结合系统动量守恒关系建立了系统动力学方程。基于奇异摄动理论的两种时间尺度假设,将该方程分解为描写系统刚性运动的慢变子系统与描写系统弹性振动的快变子系统。对慢变子系统设计了基于计算力矩法的轨迹跟踪控制器;对于快变子系统则设计了线性二次最优控制方案。数值仿真证实了提出的控制方法的有效性。     

空间机械臂动力学与控制研究进展

综述了近年来国内外在空间机械臂动力学与控制研究领域内的最新进展．包括路径规划的逆动力学、挠性影响、自适应控制及最优控制,以及工作空间等方面的研究状况和展望