针对传统控制方法难以解决自由漂浮空间机器人(free-floating space robot, FFSR)轨迹跟踪过程中的各类约束的问题,采用模型预测控制对自由漂浮空间机器人的轨迹跟踪问题进行了研究.在自由漂浮空间机器人拉格朗日动力学模型的基础上,建...针对传统控制方法难以解决自由漂浮空间机器人(free-floating space robot, FFSR)轨迹跟踪过程中的各类约束的问题,采用模型预测控制对自由漂浮空间机器人的轨迹跟踪问题进行了研究.在自由漂浮空间机器人拉格朗日动力学模型的基础上,建立了系统伪线性化的扩展状态空间模型;在给定系统的性能指标和各类约束的情况下,基于拉盖尔模型设计相应的离散模型预测控制器,并证明控制器的稳定性,控制器中引入任务空间滑模变量实现了对末端期望位置和期望速度的同时跟踪;以平面二杆自由漂浮空间机器人为例,对无约束末端轨迹跟踪和有约束末端轨迹跟踪两种情况进行对比仿真验证.仿真结果表明,该模型预测控制器不仅可以实现对末端期望轨迹的有效跟踪,还能满足各类约束.展开更多
自由漂浮空间机器人(free-floating space robot,FFSR)是进行在轨服务的重要工具,其基座姿态和关节角间存在复杂的一阶微分约束关系,进行运动规划时需直接考虑微分约束,这让其运动规划问题充满挑战。“先求逆运动学,再规划轨迹”的运动...自由漂浮空间机器人(free-floating space robot,FFSR)是进行在轨服务的重要工具,其基座姿态和关节角间存在复杂的一阶微分约束关系,进行运动规划时需直接考虑微分约束,这让其运动规划问题充满挑战。“先求逆运动学,再规划轨迹”的运动规划框架,存在目标构型与初始构型未必在同一连通域的隐患,为克服这一隐患,基于有目标偏置的RRT(GB-RRT)研究了FFSR从初始构型到目标末端位姿的运动规划问题。对于算法中的目标末端位姿导引生长,考虑到因FFSR执行机构自由度不足,而导致的末端位姿误差收敛与有效调节基座姿态相互矛盾的问题,提出适时调节基座姿态的目标末端位姿导引局部规划器,该局部规划器在保证末端位姿误差能够收敛情况下,兼顾基座姿态调节。此外,还设计了用于探索构型空间的随机构型导引生长局部规划器。将上述2种局部规划器与GB-RRT结合,可实现在不求解逆运动学的情况下,完成规划任务,且保证基座姿态扰动满足要求。仿真验证了算法的有效性。展开更多
存在外部干扰以及模型参数不精确时,自由漂浮空间机器人(Free-floating Space Robot,FFSR)末端控制精度无法保证且输出力矩将明显增大,针对此问题提出了一种基于干扰观测器的优化控制方法。首先,根据拉格朗日方程和动量矩守恒定律获得了...存在外部干扰以及模型参数不精确时,自由漂浮空间机器人(Free-floating Space Robot,FFSR)末端控制精度无法保证且输出力矩将明显增大,针对此问题提出了一种基于干扰观测器的优化控制方法。首先,根据拉格朗日方程和动量矩守恒定律获得了FFSR的动力学方程和运动学方程表达式。而后,基于FFSR名义模型设计SDRE优化控制器,实现输出力矩和输出误差两项指标的最优化。进而,为克服外部干扰以及参数误差引起的模型不确定性,设计非线性干扰观测器对不确定部分进行在线估计,并反馈到控制器输入中,进一步提高机器人末端轨迹跟踪精度。最后,以两自由度的二连杆空间机器人为对象进行Matlab/Simulink仿真。结果表明:当开启干扰观测器时,这里所提方法在末端跟踪精度以及控制器输出力矩这两项指标上均有明显改善。展开更多
文摘针对传统控制方法难以解决自由漂浮空间机器人(free-floating space robot, FFSR)轨迹跟踪过程中的各类约束的问题,采用模型预测控制对自由漂浮空间机器人的轨迹跟踪问题进行了研究.在自由漂浮空间机器人拉格朗日动力学模型的基础上,建立了系统伪线性化的扩展状态空间模型;在给定系统的性能指标和各类约束的情况下,基于拉盖尔模型设计相应的离散模型预测控制器,并证明控制器的稳定性,控制器中引入任务空间滑模变量实现了对末端期望位置和期望速度的同时跟踪;以平面二杆自由漂浮空间机器人为例,对无约束末端轨迹跟踪和有约束末端轨迹跟踪两种情况进行对比仿真验证.仿真结果表明,该模型预测控制器不仅可以实现对末端期望轨迹的有效跟踪,还能满足各类约束.
文摘自由漂浮空间机器人(free-floating space robot,FFSR)是进行在轨服务的重要工具,其基座姿态和关节角间存在复杂的一阶微分约束关系,进行运动规划时需直接考虑微分约束,这让其运动规划问题充满挑战。“先求逆运动学,再规划轨迹”的运动规划框架,存在目标构型与初始构型未必在同一连通域的隐患,为克服这一隐患,基于有目标偏置的RRT(GB-RRT)研究了FFSR从初始构型到目标末端位姿的运动规划问题。对于算法中的目标末端位姿导引生长,考虑到因FFSR执行机构自由度不足,而导致的末端位姿误差收敛与有效调节基座姿态相互矛盾的问题,提出适时调节基座姿态的目标末端位姿导引局部规划器,该局部规划器在保证末端位姿误差能够收敛情况下,兼顾基座姿态调节。此外,还设计了用于探索构型空间的随机构型导引生长局部规划器。将上述2种局部规划器与GB-RRT结合,可实现在不求解逆运动学的情况下,完成规划任务,且保证基座姿态扰动满足要求。仿真验证了算法的有效性。
文摘存在外部干扰以及模型参数不精确时,自由漂浮空间机器人(Free-floating Space Robot,FFSR)末端控制精度无法保证且输出力矩将明显增大,针对此问题提出了一种基于干扰观测器的优化控制方法。首先,根据拉格朗日方程和动量矩守恒定律获得了FFSR的动力学方程和运动学方程表达式。而后,基于FFSR名义模型设计SDRE优化控制器,实现输出力矩和输出误差两项指标的最优化。进而,为克服外部干扰以及参数误差引起的模型不确定性,设计非线性干扰观测器对不确定部分进行在线估计,并反馈到控制器输入中,进一步提高机器人末端轨迹跟踪精度。最后,以两自由度的二连杆空间机器人为对象进行Matlab/Simulink仿真。结果表明:当开启干扰观测器时,这里所提方法在末端跟踪精度以及控制器输出力矩这两项指标上均有明显改善。
