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。     

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.     

自由漂浮空间机器人路径优化的Legendre伪谱法

基于Legendre 伪谱法研究自由漂浮空间机器人非完整路径规划的最优控制问题. 自由漂浮是空间机器人执行任务常用的工作模式,其路径优化是空间机器人完成复杂空间任务的基础. 由于空间机器人不具有固定基座,机械臂和载体之间存在非完整约束,使得自由漂浮空间机器人路径规划完全不同于地面机器人而变得具有挑战性. 本文提出自由漂浮空间机器人路径规划的最优控制伪谱方法. 首先,利用多体动力学理论建立自由漂浮空间机器人动力学模型,给定系统的初始和目标位形,选取机械臂关节耗散能最小为性能指标,并考虑实际控制输入受限,建立其路径规划的Bolza 问题. 然后,应用Legendre 伪谱法,将状态和控制变量在Legendre-Gauss-Lobatto (LGL) 点上离散,并构造Lagrange 插值多项式逼近系统状态和控制变量,将连续路径优化问题离散化为非线性规划问题求解. 最后通过数值仿真表明,应用Legendre 伪谱法求解自由漂浮空间机器人非完整路径规划问题,得到的机械臂和载体最优运动轨迹,较好地满足各种约束条件,且计算精度高、速度快,并具有良好的实时性.      

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      

漂浮基空间机械臂基于双向映射神经元网络的逆运动学控制

基于双向映射神经元网络,讨论了载体位置、姿态均不受控制情况下,漂浮基空间机械臂的运动学控制问题.为此,根据系统几何关系,结合系统动量守恒、动量矩守恒关系.分析、建立了空间机械臂的广义运动雅可比关系.以此为基础,利用双向映射神经元网络及李雅普诺夫直接方法,设计了一种收敛的空间机械臂逆运动学控制方法,以控制空间机械臂的末端位姿朝着惯性空间的期望位姿点运动.提出的控制方法的突出优点在于:既不需要确切知道空间机械臂运动雅可比矩阵的具体结构,也不需要了解系统动力学参数的相关信息.一个作平面运动的自由漂浮两杆空间机械臂系统的数值仿真,证实了方法的有效性.     

考虑冲击影响的空间机械臂捕获目标后实时观测滑模补偿镇定控制

分析漂浮基空间机械臂捕获目标受到的碰撞冲击影响效应及碰撞后的镇定控制.首先,建立空间机械臂多体系统的动力学模型.机械臂捕获目标过程所受的碰撞冲击将会引起不稳定运动,利用动量定理评估计算碰撞冲量对其运动状态的影响效应.而后,设计实时观测滑模补偿控制对受碰撞冲击后的不稳定空间机械臂系统进行镇定控制.最后,通过对空间机械臂捕获目标的碰撞冲击及镇定控制过程仿真,验证了控制算法的有效性.     

浮动基座空间机械臂系统的动力学建模与惯性轨迹跟踪的滑模控制

本文利用多刚体系统动力学方法对载体位置、姿态均不受控制的浮动基空间机械臂系统的运动学、动力学作了分析,并结合系统的动量与动量矩守恒关系建立了系统的动力学方程及运动的广义Jacobi关系。以此为基础,对空间机械臂末端抓手追踪惯性空间期望轨迹的控制问题作了研究。考虑到空间机械臂系统的结构复杂性及某些参数（如液体控制燃料的数量）的变动性,根据具有较强鲁棒性的变结构滑模控制理论,设计了轨迹跟踪控制的变结构滑模控制方案。此控制方案的优点在于：在操作过程中不需要对空间机械臂载体的位置、姿态进行主动控制,因此将大大减少位置、姿态控制装置的燃料消耗。通过对平面三杆自由浮动空间机械臂系统的仿真计算,证实了文中提出的变结构滑模控制方案的有效性。     

可变结构空间桁架机械臂的动力学建模

可变结构空间桁架机械臂由于具有高承载比和工作空间大等优点,有可能成为下一代空间机械臂的替代形式．本文对可变结构空间桁架机械臂的动力学问题进行建模研究,首先简要介绍了桁架机械臂系统的结构形式,然后采用笛卡尔坐标和变分原理建立系统的动力学模型,其中杆件的转动采用卡尔丹角进行描述,最后通过与ADAMS软件的计算结果对比验证本文所建模型的正确性．     

漂浮载体上机械臂的工作空间

本文讨论载于航天器的机械臂的工作空间问题，导出机械臂位形计算的普遍公式。对不同载体控制方案的机械臂工作空间进行分析和对比，并提出了为扩大工作空间的机械设计原则，最后讨论了负载对工作空间的影响。     

带滑移铰空间机械臂运动规划的双向逼近方法

以双向逼近方法为基础,讨论了载体姿态与位置均不受控制的带滑移铰空间机器臂的运动规划问题．该方法利用系统的非完整动力学性质,仅通过对空间机器臂关节铰运动的控制,即可达到对载体姿态及机械臂关节位置的双重控制效果,从而减少了载体姿态控制燃料的消耗,有效延长了空间机械臂系统的使用寿命．系统数值仿真证明了该方法的有效性．     

空间拦截最优末端导引规律研究的新方法

给出了空间拦截控制的非线性微分方程，并在非线性控制系统引入了结构力学中的多重子结构法，从而求出了空间拦截非线性最优末端导引规律，同时给出了相应的数值仿真。     

双臂空间机器人相对载体运动的增广自适应控制方法

本文讨论了载体位置、姿态均不受控制情况下,漂浮基双臂空间机器人末端爪手基联坐标系内轨迹跟踪的自适应控制问题.系统运动学、动力学分析结果表明,结合系统动量守恒关系得到的双臂空间机器人系统动力学方程,可以表示为一组新的适当选择的系统组合惯性参数的线性函数;从而克服了惯常的空间机器入系统动力学方程,关于系统惯性参数呈非线性函数关系的难点.以此为基础,并借助于增广变量法,针对双臂空间机器人末端爪手所持载荷参数未知的情况,设计了漂浮基双臂空间机器人末端爪手基联坐标系内轨迹跟踪的增广自适应控制方案.提出的控制方案具有不需要反馈、测量漂浮基的位置、移动速度及移动加速度的显著优点.系统数值仿真,证实了方法的有效性.     

TRAJECTORY TRACKING CONTROL FOR DUAL-ARM SPACE ROBOT WITH BOUNDED INPUT TORQUES

讨论基座姿态、位置均不控的自由漂浮双臂空间机器人在关节驱动力矩受限下其关节协调运动的控制问题. 运用拉格朗日第二类方程并耦合动量守恒关系建立动力学方程. 尔后,设计了基于饱和函数的控制方案,该方案引入具有饱和特性的双曲正切函数来控制关节力矩幅值. 最后,根据奇异扰动系统稳定性理论将系统分为降阶系统和边界层系统,分别利用李雅普诺夫函数证明其在原点呈指数稳定. 数值仿真进一步表明该方案的有效性和优越性.     

Dynamic response of elastic rectangular plates by spline state variable method

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＷｈｅｎｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｒｅｓｕｂｊｅｃｔｅｄｔｏｔｒａｎｓｉｅｎｔｌｏａｄｓｓｕｃｈａｓｂｏｍｂ＿ｌｏａｄ,ｅａｒｔｈｑｕａｋｅａｎｄｓｏｏｎ,ｅｎｇｉｎｅｅｒｓｐａｙｓｐｅｃｉａｌａｔｔｅｎｔｉｏｎｔｏｔｈｅｓａｆｅｔｙｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ.Ｔｈｅｒｅｉｓｌｏｔｓｏｆｒｅｓｅａｒｃｈｗｏｒｋｏｎｔｈｅｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｍｅｔｈｏｄｏｆｄｙｎａｍｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅａｎａｌｙｓｉｓｆｏｒｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｂｏｔ…     

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．     

Time-delayed feedback control optimization for quasi linear systems under random excitations

A strategy for time-delayed feedback control optimization of quasi linear systems with random excitation is proposed. First, the stochastic averaging method is used to reduce the dimension of the state space and to derive the stationary response of the system. Secondly, the control law is assumed to be velocity feedback control with time delay and the unknown control gains are determined by the performance indices. The response of the controlled system is predicted through solving the Fokker-Plank-Kolmogorov equation associated with the averaged Ito equation. Finally, numerical examples are used to illustrate the proposed control method, and the numerical results are confirmed by Monte Carlo simulation .     

Fractional optimal control of a 2-dimensional distributed system using eigenfunctions

This paper presents an eigenfunctions expansion based scheme for Fractional Optimal Control (FOC) of a 2-dimensional distributed system. The fractional derivative is defined in the Riemann–Liouville sense. The performance index of a FOC problem is considered as a function of both state and control variables, and the dynamic constraints are expressed by a Partial Fractional Differential Equation (PFDE) containing two space parameters and one time parameter. Eigenfunctions are used to eliminate the terms containing space parameters and to define the problem in terms of a set of generalized state and control variables. For numerical computation Grünwald–Letnikov approximation is used. A direct numerical technique is proposed to obtain the state and the control variables. For a linear case, the numerical technique results into a set of algebraic equations which can be solved using a direct or an iterative scheme. The problem is solved for different number of eigenfunctions and time discretization. Numerical results show that only a few eigenfunctions are sufficient to obtain good results, and the solutions converge as the size of the time step is reduced.     

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

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

存在关节死区的空间机器人无扰快速终端滑模控制

针对机械臂一般操作过程中运动学的非完整特性进行运动规划时没有考虑机械臂与待抓取目标之间的关系与关节的实际特性, 研究了存在关节死区的漂浮基平面三连杆空间机械臂拦截目标前最后阶段的载体无扰动空间规划与控制. 首先根据拉格朗日第二类方程, 建立存在关节死区的载体位姿均不受控的漂浮基平面三连杆空间机械臂的动力学模型, 推导出三连杆空间机械臂反作用零空间的数学模型, 并对反作用零空间进行向量范数约束算法研究; 进而提出了一种具有抗干扰性与高收敛性的非奇异快速终端滑模控制算法实现系统的姿态无扰控制, 该方法采用变系数双幂次趋近率与非奇异快速终端滑模面相结合的方式, 提高系统状态收敛速度与抗干扰性. 为了消除机械臂关节存在的死区特性, 设计了自适应死区补偿器, 通过自适应控制来逼近死区特性的上界, 以消除关节死区对系统带来的影响, 确保跟踪控制的有效执行. 最后基于Lyapunov函数法证明了系统的稳定性, 并通过系统数值仿真结果验证了存在死区情况下机械臂的各关节角跟踪上无反应空间下的期望轨迹的同时载体的姿态处于稳定状态, 验证了所提方法的有效性.