基于擴展雅克比矩陣的空間機器人星臂協(xié)調(diào)控制方法
【專利摘要】基于擴展雅克比矩陣的空間機器人星臂協(xié)調(diào)控制方法，解決在軌工作的空間機械臂與基座衛(wèi)星整體協(xié)同控制問題。包括計算空間機器人的運動學和動力學參數(shù)；建立基于擴展雅可比矩陣的空間機器人數(shù)學模型；設計空間機器人星臂協(xié)調(diào)控制器；對機械臂末端軌跡進行參數(shù)化；對機械臂軌跡進行優(yōu)化；計算空間機器人單框架控制力矩陀螺系統(tǒng)的角速度指令。本發(fā)明不需要衛(wèi)星根據(jù)姿態(tài)測量進行滯后的反饋控制，通過將臂星的耦合運動進行整體數(shù)學建模，根據(jù)輸入的機械臂末端軌跡，直接計算出衛(wèi)星需補償機械臂運動的單框架控制力矩陀螺系統(tǒng)的角速度指令，實現(xiàn)臂星的整體協(xié)調(diào)控制；機械臂末端軌跡經(jīng)過優(yōu)化使衛(wèi)星態(tài)控制系統(tǒng)補償機械臂反作用力矩所消耗的能量較小。
【專利說明】基于擴展雅克比矩陣的空間機器人星臂協(xié)調(diào)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種空間機器人星臂協(xié)調(diào)控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]空間機器人執(zhí)行空間任務時面臨的一個實際問題是任何空間機械臂的運動都會改變載體衛(wèi)星的位置和姿態(tài)，而載體衛(wèi)星位置姿態(tài)的改變也會反過來影響空間機械臂的定位，同時也會放大空間機械臂末端操作器的定位誤差，不利于空間機械臂的高精度控制。為了滿足空間機器人工作過程中對地通信和對太陽能帆板朝向等條件的實際需要，往往要求機械臂運動的同時載體衛(wèi)星的姿態(tài)應保持穩(wěn)定。如今，隨著空間在軌維護和深空探索等科學應用的開展，越來越需要空間機器人替代人類實現(xiàn)在軌操作?？臻g機械臂與基座衛(wèi)星的整體協(xié)調(diào)控制是其在軌應用首要考慮的問題。
[0003]—些學者基于空間機械臂建模中的VM (Virtual Manipulator)方法,規(guī)劃了一系列連續(xù)的螺旋空間機械臂軌跡，希望通過這種方式能夠最小化空間機械臂運動時對載體衛(wèi)星姿態(tài)的擾動，但是這樣一來就使機械臂的運動方式受到了嚴重的限制，運動路線也很復雜，不利于直接完成空間任務。通過空間機器人結(jié)構(gòu)上的改變也可以實現(xiàn)載體衛(wèi)星姿態(tài)保持不變，一些研究認為可以引入一條額外的空間機械臂專門用于補償空間機器人執(zhí)行任務時產(chǎn)生的載體衛(wèi)星擾動力矩，但是這使整個空間機器人系統(tǒng)更復雜，從概率上講也更容易陷入故障狀態(tài)，并且很不經(jīng)濟。通過動力學計算獲得空間機械臂運動對載體衛(wèi)星姿態(tài)的擾動力矩，并通過反作用飛輪對擾動力矩進行補償是一種很好的方法，但是這種方法往往需要借助復雜的動力學計算，算法結(jié)構(gòu)復雜，實時性不強，而且存在反作用飛輪輸出力矩小，響應較慢的問題。因此，提出一種簡單的空間機器人協(xié)調(diào)控制的方法，是非常迫切和必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供一種基于擴展雅克比矩陣的空間機器人星臂協(xié)調(diào)控制方法，以解決空間機械臂在軌工作時與基座衛(wèi)星整體協(xié)同控制問題，進而實現(xiàn)在機械臂完成空間任務的同時保證載體衛(wèi)星姿態(tài)基本不變；同時通過優(yōu)化機械臂的運動軌跡，使基座衛(wèi)星在補償機械臂產(chǎn)生的反作用力矩時消耗的能量最小。
[0005]基于擴展雅可比矩陣的空間機器人整體協(xié)調(diào)的優(yōu)化控制方法由以下步驟完成:
[0006]步驟一、通過ProE建模計算出包括機械臂和基座衛(wèi)星的空間機器人的運動學和動力學參數(shù)；
[0007]步驟二、建立基于擴展雅克比矩陣的空間機器人整體數(shù)學模型；
[0008]步驟三、利用Moore-PeniOse偽逆求解方法設計空間機器人星臂協(xié)調(diào)控制器(見式(6))；
[0009]步驟四、空間機械臂末端軌跡參數(shù)化；
[0010]步驟五、基于粒子群優(yōu)化方法，根據(jù)空間機器人協(xié)調(diào)控制器得到的單框架控制力矩陀螺系統(tǒng)角動量的表達式構(gòu)建的優(yōu)化目標函數(shù)(見式(12))，利用構(gòu)建的優(yōu)化目標函數(shù)對經(jīng)過參數(shù)化的空間機械臂末端軌跡進行優(yōu)化；
[0011]步驟六、將空間機械臂優(yōu)化軌跡數(shù)據(jù)輸入給空間機器人星臂協(xié)調(diào)控制器，得到單框架控制力矩陀螺系統(tǒng)的角動量，利用得到的角動量計算出單框架控制力矩陀螺系統(tǒng)的角速度指令(利用式(19)計算)。
[0012]本發(fā)明具有以下有益效果:本發(fā)明通過建立的空間機器人(空間機器人包括機械臂和基座衛(wèi)星)的整體數(shù)學模型，根據(jù)輸入的機械臂末端軌跡，可直接計算出衛(wèi)星需補償機械臂運動的單框架控制力矩陀螺系統(tǒng)的角速度指令，實現(xiàn)了空間機械臂與衛(wèi)星基座的整體協(xié)調(diào)控制；通過對執(zhí)行同樣任務的空間機械臂軌跡進行優(yōu)化，可使衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)補償機械臂反作用力矩消耗的能量較小。
[0013]本發(fā)明方法不需要衛(wèi)星根據(jù)姿態(tài)測量進行滯后的反饋控制，而是通過將臂星的耦合運動進行整體數(shù)學建模，根據(jù)輸入的機械臂末端軌跡，可直接計算出衛(wèi)星需補償機械臂運動的單框架控制力矩陀螺系統(tǒng)的角速度指令，實現(xiàn)臂星的整體協(xié)調(diào)控制；同時機械臂末端軌跡經(jīng)過優(yōu)化，可使衛(wèi)星態(tài)控制系統(tǒng)補償機械臂反作用力矩所消耗的能量較?。辉摲椒ū苊饬藦碗s的動力學計算，方法結(jié)構(gòu)簡單，便于實現(xiàn)載體衛(wèi)星姿態(tài)的高精度控制，可用于空間機器人在軌維護、空間碎片清理、深空探測操做等空間應用領(lǐng)域。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為空間機器人星臂協(xié)調(diào)控制流程圖；
[0015]圖2為空間機器人系統(tǒng)各坐標系示意圖；
[0016]圖3為利用粒子群方法對機械臂軌跡進行優(yōu)化的流程圖；
[0017]圖4為空間機器人機械臂關(guān)節(jié)軌跡圖，圖4中:圖4a為空間機器人第一關(guān)節(jié)角軌跡圖，圖4b為第二關(guān)節(jié)軌跡圖，圖4c為第三關(guān)節(jié)軌跡圖，圖4d為第四關(guān)節(jié)軌跡圖，圖4e為第五關(guān)節(jié)軌跡圖，圖4f為第六關(guān)節(jié)軌跡圖；
[0018]圖5為單框架控制力矩陀螺系統(tǒng)框架角軌跡圖；圖5中:圖5a為第I個單框架控制力矩陀螺的框架角軌跡圖，圖5b為第2個單框架控制力矩陀螺的框架角軌跡圖，圖5c為第3個單框架控制力矩陀螺的框架角軌跡圖，圖5d為第4個單框架控制力矩陀螺的框架角軌跡圖；
[0019]圖6為單框架控制力矩陀螺系統(tǒng)角動量變化圖，圖6中:圖6a為單框架控制力矩陀螺系統(tǒng)角動量在X軸的分量的變化圖，圖6b為單框架控制力矩陀螺系統(tǒng)角動量在y軸的分量的變化圖，圖6c為單框架控制力矩陀螺系統(tǒng)角動量在ζ軸的分量的變化圖；
[0020]圖7為空間機器人載體衛(wèi)星姿態(tài)圖，圖7中:圖7a為空間機器人載體衛(wèi)星姿態(tài)用歐拉角表述時的轉(zhuǎn)角Citl，圖7b為歐拉角表述時的轉(zhuǎn)角Ptl，圖7c為歐拉角表述時的轉(zhuǎn)角Y 0°
【具體實施方式】
[0021]【具體實施方式】一:結(jié)合圖1、圖2和圖3說明本實施方式，本實施方式由以下步驟完成:
[0022]步驟一、通過ProE建模計算出包括機械臂和基座衛(wèi)星的空間機器人的運動學和動力學參數(shù)；
[0023]步驟二、建立基于擴展雅克比矩陣的空間機器人整體數(shù)學模型；
[0024]步驟三、利用Moore-PeniOse偽逆求解方法設計空間機器人星臂協(xié)調(diào)控制器(見式(6))；
[0025]步驟四、空間機械臂末端軌跡參數(shù)化；
[0026]步驟五、基于粒子群優(yōu)化方法，根據(jù)空間機器人協(xié)調(diào)控制器得到的單框架控制力矩陀螺系統(tǒng)角動量的表達式構(gòu)建優(yōu)化目標函數(shù)(見式(12))，利用構(gòu)建的優(yōu)化目標函數(shù)對經(jīng)過參數(shù)化的空間機械臂末端軌跡進行優(yōu)化；
[0027]步驟六、將空間機械臂優(yōu)化軌跡數(shù)據(jù)輸入給空間機器人星臂協(xié)調(diào)控制器，得到單框架控制力矩陀螺系統(tǒng)的角動量，利用得到的角動量計算出單框架控制力矩陀螺系統(tǒng)的角速度指令(利用式(19)計算)。
[0028]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一的不同點是:本實施方式在步驟二所述的建立基于擴展雅克比矩陣的空間機器人整體數(shù)學模型的公式為:
【權(quán)利要求】
1.基于擴展雅克比矩陣的空間機器人星臂協(xié)調(diào)控制方法，其特征在于它由以下步驟完成: 步驟一、通過ProE建模計算出包括機械臂和基座衛(wèi)星的空間機器人的運動學和動力學參數(shù)； 步驟二、建立基于擴展雅克比矩陣的空間機器人整體數(shù)學模型； 步驟三、利用Moore-Penrose偽逆求解方法設計空間機器人星臂協(xié)調(diào)控制器； 步驟四、空間機械臂末端軌跡參數(shù)化； 步驟五、基于粒子群優(yōu)化方法，根據(jù)空間機器人協(xié)調(diào)控制器得到的單框架控制力矩陀螺系統(tǒng)角動量的表達式構(gòu)建優(yōu)化目標函數(shù)，利用構(gòu)建的優(yōu)化目標函數(shù)對經(jīng)過參數(shù)化的空間機械臂末端軌跡進行優(yōu)化； 步驟六、將空間機械臂優(yōu)化軌跡數(shù)據(jù)輸入給空間機器人星臂協(xié)調(diào)控制器，得到單框架控制力矩陀螺系統(tǒng)的角動量，利用得到的角動量計算出單框架控制力矩陀螺系統(tǒng)的角速度指令。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于擴展雅克比矩陣的空間機器人星臂協(xié)調(diào)控制方法，其特征在于在步驟二所述的建立基于擴展雅克比矩陣的空間機器人整體數(shù)學模型的公式為:
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于擴展雅克比矩陣的空間機器人星臂協(xié)調(diào)控制方法，其特征在于在步驟三所述的利用Moore-Penrose偽逆求解方法設計空間機器人的星臂協(xié)調(diào)控制器為:
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于擴展雅克比矩陣的空間機器人星臂協(xié)調(diào)控制方法，其特征在于在步驟四所述的空間機械臂末端軌跡參數(shù)化的過程為:
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于擴展雅克比矩陣的空間機器人星臂協(xié)調(diào)控制方法，其特征在于在步驟五所述的基于粒子群優(yōu)化方法，根據(jù)空間機器人協(xié)調(diào)控制器得到的單框架控制力矩陀螺系統(tǒng)角動量的表達式構(gòu)建優(yōu)化目標函數(shù)，利用構(gòu)建的優(yōu)化目標函數(shù)對經(jīng)過參數(shù)化的空間機械臂末端軌跡進行優(yōu)化，其實現(xiàn)過程如下: 為了利用粒子群方法對空間機器人末端軌跡進行優(yōu)化，設計優(yōu)化目標函數(shù)為:
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于擴展雅克比矩陣的空間機器人星臂協(xié)調(diào)控制方法，其特征在于在步驟六所述的將空間機械臂優(yōu)化軌跡數(shù)據(jù)輸入給空間機器人星臂協(xié)調(diào)控制器，得到單框架控制力矩陀螺系統(tǒng)的角動量，利用得到的角動量計算出單框架控制力矩陀螺系統(tǒng)的角速度指令；其過程為: 根據(jù)式(6)中空間機器人星臂協(xié)調(diào)控制器輸出的單框架控制力矩陀螺系統(tǒng)的角動量，求解單框架控制力矩陀螺姿態(tài)控制系統(tǒng)的框架角速度指令為:
【文檔編號】G05B13/04GK103869704SQ201410138354
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年4月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月8日
【發(fā)明者】劉宏, 王濱, 李振宇, 夏進軍, 王志超 申請人:哈爾濱工業(yè)大學