机械一体化论文提纲

论文题目：多自由度冗余空间机械臂位姿一体化规划与控制

摘要：空间机械臂在在轨维修、在轨装配、辅助加注、辅助对接等在轨操作任务中占据着重要地位。现阶段越来越复杂的在轨操作任务对空间机械臂提出了更高的技术要求。控制技术作为空间机械臂的核心技术更是直接决定着在轨操作任务的成败。而现有对空间机械臂位置和姿态分别控制、逐关节迭代计算的控制方法不能满足高精度、高效率的控制需求。本文对空间机械臂控制技术进行深入研究,重点解决空间机械臂控制中机械臂位姿一体化建模问题、基于位姿一体化模型的路径规划问题、对规划路径的跟踪控制问题,具体工作如下:针对多自由度冗余空间机械臂位姿一体化建模问题,建立基于对偶四元数的机械臂位姿一体化动力学模型。首先基于对偶四元数定义变量统一描述空间机械臂状态。然后分析机械臂位置和姿态之间、机械各关节之间、机械臂和航天器基座之间的耦合作用,在此基础上建立基于对偶四元数的机械臂位姿一体化模型。针对多自由度空间机械臂在有障碍物的复杂空间环境中的障碍规避问题,提出基于快速扩展随机树和包含关节约束的前向后向迭代逆运动学算法的障碍规避路径规划算法。首先设计机械臂末端执行器障碍规避路径算法,解决快速扩展随机树搜索效率低的问题。然后,设计包含关节约束的前向后向迭代逆运动学算法,解决由末端执行器到机械臂各关节状态求解运算量大、计算效率低的问题。针对空间机械臂运动造成航天器基座位姿改变,进而影响机械臂操作精度的问题,提出基于干扰补偿策略和凸优化理论的空间机械臂路径规划算法,实现航天器基座位姿保持。首先定义任务机械臂和平衡机械臂,分别实现在轨操作任务和补偿力矩输出。然后设计航天器位姿一体化控制器,解决航天器基座位姿变化与任务机械臂运动之间的时延问题。最后建立凸优化问题并求解,解决平衡机械臂干扰补偿路径计算效率低、运算量大的问题。针对多自由度空间机械臂末端执行器跟踪控制问题,设计基于Guess-Newton迭代算法和自适应控制理论的最优关节状态跟踪控制算法。首先设计基于Guess-Newton迭代的最优关节状态规划算法,解决末端执行器位姿到机械臂各关节状态规划效率低、存在奇异等问题。然后设计基于自适应更新律和模糊理论的自适应跟踪控制算法,解决机械臂动力学参数不确定、稳定阶段存在振荡的问题。针对多自由度空间机械臂在有干扰的复杂环境中的跟踪控制问题,设计基于滑模干扰观测器和终端滑模控制律的有限时间跟踪控制算法。首先设计不假设干扰上界的滑模干扰观测器,使算法适用范围更广。然后设计基于滑模干扰观测器的终端滑模控制算法,解决空间机械臂收敛速度慢、跟踪精度低的问题。最后,针对空间机械臂在轨任务需求,结合本文建立的机械臂位姿一体化模型和设计的规划、控制算法,建立空间机械臂在轨操作任务示例证所设计算法的正确性。示例中设计仿真总体结构和数据流程,通过仿真示例进一步验证本文所设计算法的正确性和有效性。

关键词：空间机械臂;对偶四元数;位姿一体化;路径规划;跟踪控制

学科专业：控制科学与工程

摘要

abstract

第1章 绪论

1.1 研究背景、目的及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 空间机械臂研究现状

1.2.2 空间机械臂建模研究现状

1.2.3 空间机械臂路径规划算法研究现状

1.2.4 空间机械臂控制算法研究现状

1.3 主要研究内容及论文结构

第2章 多自由度空间机械臂运动学模型

2.1 引言

2.2 坐标系定义

2.3 D-H参数定义及基于齐次变换矩阵的机械臂运动学模型

2.3.1 D-H参数定义

2.3.2 基于齐次变换矩阵的机械臂运动学模型

2.3.3 实例分析

2.4 基于对偶四元数的机械臂运动学模型

2.4.1 对偶四元数基础

2.4.2 对偶四元数描述刚体运动

2.4.3 基于对偶四元数的机械臂运动学模型

2.4.4 实例分析

2.5 基于对偶四元数的航天器基座模型

2.6 本章小结

第3章 多自由度冗余空间机械臂动力学建模

3.1 引言

3.2 基于铰接体惯量的空间机械臂动力学模型

3.2.1 铰接体惯量

3.2.2 铰接体动力学算法

3.2.3 基于铰接体惯量的机械臂递推模型

3.3 对偶四元数法的改进与空间机械臂动力学模型

3.3.1 基于对偶四元数的6自由度刚体动力学模型

3.3.2 空间机械臂模型定义

3.3.3 基于对偶四元数的空间机械臂动力学模型

3.4 仿真分析

3.5 本章小结

第4章 多自由度空间机械臂路径规划算法

4.1 引言

4.2 多自由度空间机械臂障碍规避路径规划算法

4.2.1 碰撞检测分析及路径规划问题建立

4.2.2 障碍规避路径规划算法总体设计

4.2.3 基于快速扩展随机树的路径规划算法

4.2.4 前向后向迭代逆运动学算法

4.3 用于基座干扰补偿的双空间机械臂路径规划算法

4.3.1 干扰补偿路径规划算法总体设计

4.3.2 基于对偶四元数的航天器基座位姿一体化控制算法

4.3.3 基于凸优化的机械臂路径规划算法

4.4 仿真分析

4.4.1 多自由度空间机械臂障碍规避路径规划算法仿真

4.4.2 用于基座干扰补偿的双空间机械臂路径规划算法仿真

4.5 本章小结

第5章 多自由度空间机械臂跟踪控制算法

5.1 引言

5.2 基于最优关节状态的空间机械臂自适应跟踪控制算法

5.2.1 基于Gauss-Newton迭代的最优关节状态计算

5.2.2 基于自适应更新律和模糊理论的跟踪控制算法设计

5.3 基于干扰观测器的空间机械臂终端滑模跟踪控制算法

5.3.1 预备知识

5.3.2 滑模干扰观测器设计

5.3.3 终端滑模跟踪控制器设计

5.4 仿真分析

5.4.1 基于最优关节状态的空间机械臂自适应跟踪控制算法仿真

5.4.2 基于干扰观测器的空间机械臂终端滑模跟踪控制算法仿真

5.5 本章小结

第6章 多自由度空间机械臂仿真验证

6.1 引言

6.2 验证系统总体框架

6.2.1 验证系统概述

6.2.2 验证系统功能结构

6.2.3 空间机械臂在轨验证系统数据流程

6.3 验证示例

6.4 本章小结

结论

参考文献

致谢