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.     

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.     

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.     

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.      

基于Gauss伪谱法的3D刚体摆姿态最优控制

研究Gauss伪谱法求解3D刚体摆姿态最优控制问题．针对其最优姿态控制问题,既要满足由任意位置运动到平衡位置姿态运动规划问题,又要满足系统含有动力学约束的力学模型问题,提出基于四元数来描述3D刚体摆的数学模型,建立3D刚体摆姿态的动力学和运动学方程,为了解决3D刚体摆在平衡位置处的姿态最优控制问题,设计基于Gauss伪谱算法的最优姿态开环控制器,得到了3D刚体摆的姿态最优控制轨迹,得到满足的可行解,通过仿真实验验证了其开环解在平衡位置的控制姿态最优性．     

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．     

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.     

基于混合优化的运载器大气层内闭环制导方法

针对运载器大气层内最优闭环制导问题,研究了一种将求解最优控制问题的间接法与直接法相结合求解最优上升轨迹的轨迹在线规划与闭环制导方法。该方法采用高斯伪谱法求解基于间接法推导的最优上升轨迹两点边值问题,能以较少的离散节点获得较高的求解精度,并具有较高的求解效率。为了进一步保证制导的实时性与飞行安全要求,提出了轨迹在线规划与闭环制导策略。最优上升轨迹求解结果表明,在同等的求解精度条件下,混合优化算法的离散节点个数仅为间接法的25%~40%,计算效率提高了50倍左右。建立导航模型进行闭环制导蒙特卡洛打靶仿真,制导算法满足实时性与过程约束要求,关机点高度、速度、弹道倾角及轨道倾角的最大偏差分别为-8.93 m、-3.35 m/s、0.015°、0.0018°,算法具有较高的制导精度。     

一种火箭动力助飞高超声速飞行器轨迹优化设计方法

为提升高超声速飞行器的射程和飞行性能,提出一种基于气动力与火箭发动机推力混合控制的轨迹优化设计方法。针对高超声速飞行器再入阶段的混合控制轨迹优化问题,提出求解多段不同特征轨迹的分段高斯伪谱法,将多段最优控制问题转化为非线性规划问题。采用SQP算法对其进行求解,获取以最大射程为性能指标的飞行器轨迹优化方法,并以此研究火箭发动机在有限燃料、适当启动条件下单次和多次启动对飞行轨迹的影响。数值仿真结果表明,分段高斯伪谱法可较快速求解出火箭动力助飞高超声速飞行器最优轨迹,发动机单次启动和多次启动方案能够在不同方面改善飞行器性能。     

一类多体系统非完整运动最优规划的拟牛顿算法

研究带有非完整约束的一类多体系统运动规划问题。多体系统中的非完整约束通常是由不可积的速度约束或不可积的守恒律引起。在系统动量和动量矩守恒情况下,动力学方程降阶为非完整形式约束方程,系统的控制问题可转化为无漂移系统的非完整运动规划问题。文中首先导出具有多体开链系统的非完整运动模型。利用最优控制理论和最优化技术,采用输入参数化的方法将连续的最优控制问题转化为离散的最优控制问题,提出一种非完整多体系统运动规划的拟牛顿算法。最后将该方法用于自由漂浮的空间三连杆机构,仿真结果验证了该方法的有效性。     

欠驱动航天器姿态机动时间-能量最优控制研究

针对由动量飞轮作为执行机构的欠驱动航天器,研究以飞轮角加速度作为控制输入的航天器大角度姿态机动问题。利用四元数描述欠驱动航天器的姿态运动学模型,分别以时间最优控制、时间-能量最优控制作为目标函数进行了基于Chebyshev-Gauss(CG)伪谱法的优化设计和讨论。采用Clenshaw-Curtis积分近似得到了性能指标函数中的积分项,应用重心拉格朗日插值逼近状态变量和控制变量,将连续最优控制问题进行离散,转变为一个非线性规划(NLP)的问题,NLP问题则可应用序列二次规划方法计算。两种目标函数优化的结果均使系统从初始姿态机动到终端姿态,终端角速度也都达到了预定值,对比发现时间-能量最优结果的能耗值比时间最优的能耗值小,但其机动耗时较长。     

三维电动力绳系子卫星轨道转移的最优控制

考虑复杂状态和控制约束的作用,研究了倾斜轨道上三维电动力绳系子卫星轨道转移的最优控制问题.借助Gauss伪谱算法,将绳系子卫星轨道转移的连续时间最优控制问题离散为大规模动态规划问题,并利用非线性规划方法进行求解.通过数值仿真计算了最优控制时间、子星最优转移轨道及最优控制张力和电流,同时讨论了轨道倾角对最优控制量的影响....     

基于RRT-GPM两阶策略的导弹编队协同突防最优轨迹快速设计

为了提高导弹编队的自主飞行能力,在考虑弹间协同相对运动关系(通信、避碰、探测)和突防硬/软约束的情况下,对弹群的多约束快速轨迹优化问题进行了研究。针对高斯伪谱法初值确定困难和快速搜索随机树法结果曲折不寻优难以满足动力学约束的不足,通过对高斯伪谱法快速性的分析和初值选取方法的研究,提出了快速搜索随机树+高斯伪谱法两阶快速轨迹优化策略,充分利用快速搜索随机树法的全空间搜索能力为高斯伪谱法提供寻优初始值,同时利用高斯伪谱法的快速性和最优性对快速搜索随机树法的结果进行平滑和进一步寻优,从而快速获得最优的弹群飞行轨迹。领-从弹编队飞行模式下的仿真结果表明,两阶策略能够快速获得满足各种约束的弹群最优飞行轨迹,优化时间约为单独高斯伪谱法所需时间的20%左右,很大程度上提高了轨迹优化的快速性和准确性,并且证明了不同约束条件对优化速度和优化结果的影响。     

随机最优控制方法识别动力学系统局部非线性

利用随机动态规划方法可以得到线性二次型高斯问题的最优控制解．基于这一结果与系统辨识问题最优控制解的概念,将动力学系统中局部非线性结构参数的辨识问题转化为求解对应线性系统的最优控制问题,利用线性系统随机最优控制的理论与方法,结合FSM（ForceStateMapping）方法,提出了识别动力学系统中局部非线性回复力类型及结构参数的新方法．所研究系统由大的线性子结构与一个或多个非线性子结构组成,其中线性结构的模型参数已知,待辨识量为局部非线性结构参数．     

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。     

基于虚拟力概念的柔性臂空间机器人模糊退步自适应控制算法设计

讨论了漂浮基柔性臂空间机器人系统的动力学模拟、运动轨迹跟踪控制算法设计及柔性振动主动抑制。采用多体动力学建模方法并结合假设模态法,建立了漂浮基柔性臂空间机器人的系统动力学模型。基于该模型,针对系统惯性参数未知情况,提出了刚性运动基于模糊基函数网络自适应调节的退步控制算法,以完成柔性臂空间机器人载体姿态及机械臂各关节铰的协调运动。然后,为了主动抑制系统柔性振动,运用虚拟力的概念,构造了同时反映柔性模态和刚性运动轨迹的混合期望轨迹,通过改造原有的控制算法,提出了基于虚拟力概念的模糊退步自适应控制算法;这样不但保证了之前刚性运动控制方案对模型不确定的鲁棒性,而且能主动抑制柔性振动,从而提高了轨迹跟踪性能。理论分析及数值仿真算例均表明了控制方法的可行性。     

输入受限LQ控制的参变量变分原理和算法

在最优控制理论中根据模拟理论思想发展了塑性力学和接触力学中的参变量变分原理, 并建立了控制输入受限的线性二次(linear quadratic, LQ)最优控制问题的求解新方程---耦合的Hamilton正则方程与线性互补方程. 通过将连续时间离散成一系列等间距时间区段, 在离散时域内采用参数二次规划方法给出数值求解输入受限的LQ最优控制问题的新算法. 数值仿真验证了该算法在求解控制输入受限的LQ最优控制问题中的有效性, 并且该算法具有较快的收敛性, 在大步长下具有较高的计算精度.      

基于hp自适应伪谱法的组合动力可重复使用运载器轨迹优化

针对传统化学火箭难以重复使用、发射成本高的问题,提出了一种水平起飞/降落的新一代可重复使用运载器飞行方案,并对其动力模式设计和上升段轨迹优化方法等关键技术进行深入研究。设计了一种涡轮\冲压发动机结合火箭\冲压发动机的组合动力模式,建立了发动机推力与高度、马赫数等变量间的耦合模型,根据动力形式将上升段轨迹分为两段并采用全局搜索法确定动力切换的最佳时机。根据分段结果,分别以燃料最省和终端速度最大为指标,利用hp自适应伪谱法对两段进行轨迹优化设计。该算法基于双层策略求解最优控制问题,兼备伪谱法和有限元法的优点,与打靶法、伪谱法和间接法相比,初值更易选取,收敛速度更快。     

基于改进序列凸优化的固体火箭入轨制导方法

针对推力大小与关机时间不可调节的耗尽关机固体火箭入轨制导问题,提出一种改进序列凸优化算法.首先利用Legendre-Gauss-Radau伪谱法对模型离散,将滑行时间增广为控制变量,解决点火时间不确定问题,保证求解最优性.其次对非凸推力矢量约束进行松弛凸化,并证明松弛手段的无损性;然后,对非凸运动方程与终端状态约束进行...     

基于变形场不同离散方法的柔性机器人动力学建模与仿真

研究了基于变形场不同离散方法的柔性机器人动力学建模和仿真问题. 针对多杆空间链式柔性机器人系统,采用假设模态法、有限元法、Bezier 插值方法和B 样条插值方法对柔性杆变形场进行描述,构造统一形式,运用Lagrange 方法,结合4×4 齐次变换矩阵,在计入柔性杆横向弯曲变形引起的纵向缩短的情况下,推导得到多杆空间柔性机器人动力学方程,并编制基于4 种变形场不同离散方法的多杆空间链式柔性机器人仿真软件.通过仿真算例对柔性机器人系统的动力学问题进行研究. 仿真结果表明:有限元法的计算效率较低;假设模态法在处理较大变形问题时其精度低于Bezier 插值方法和B 样条插值方法的精度;作为新的变形体离散方法,Bezier 插值方法和B 样条插值方法可以有效地描述柔性杆的变形场,并能运用到多杆空间柔性机器人动力学建模中.