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空间机器人抓取过程中的目标参数辨识

作　者: 王洪柳
导　师: 赵阳
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 人机与环境工程
关键词: 空间机器人 参数辨识 惯性参数 抓取域 最小二乘问题
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


空间机器人的质量随着载荷及燃料的消耗而发生变化,而非合作目标的惯性参数也是未知的,因此在空间机器人抓取未知目标并进行运动和动力学控制时必须首先进行参数辨识。本文以自由飞行空间机器人为对象,主要研究在空间机器人试探抓取目标过程中辨识目标质量特性(如目标的质量,质心位置,惯量矩阵等)。该研究对机械臂抓取的实时精确控制具有重要的工程意义和应用价值。首先对单臂自由飞行空间机器人进行运动分析,并应用以拉格朗日方程为代表的分析力学方法建立空间刚性机器人动力学模型,而采用牛顿—欧拉方程建立目标动力学模型。应用抓取域对末端效应器建立目标抓取域模型,并基于抓取域建立末端碰撞模型来描述空间机器人捕获漂浮目标的动态过程。在末端碰撞力作为激励的条件下,提出基于动量守恒方程和牛顿—欧拉方程的参数辨识方法。对包括目标在内的空间机器人系统建立动量守恒方程和牛顿—欧拉方程,并对未知的目标惯性参数(质量,质心位置相对于目标体坐标系的三个分量和惯量阵中的六个独立元素)线性化表示,建立线性参数化模型。由于基于动量守恒的参数辨识方法不需要获得力和力矩信息,适用于自由飞行空间机器人的参数辨识。因此采用基于动量守恒的方法辨识未知目标的惯性参数。在此基础上,基于最小二乘法在线估计目标参数,并从线性方程组最小二乘问题角度分析辨识过程中的参数辨识误差及测量噪声对参数辨识的扰动影响。引入矩阵的广义逆,给出最小二乘问题极小解的通解,分析零空间补偿对辨识的影响。提出最小二乘问题扰动理论,并探索减小扰动误差的方法。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-17
  1.1 课题来源  9
  1.2 研究的目的和意义  9-10
  1.3 空间机器人参数辨识的研究现状  10-16
    1.3.1 地面机器人动力学参数辨识  10-11
    1.3.2 航天器惯性参数辨识  11-13
    1.3.3 空间机器人惯性参数辨识  13-16
  1.4 主要研究内容  16-17
第2章 空间机器人运动学及动力学建模  17-29
  2.1 多体系统的数学描述  17-20
    2.1.1 拓扑构型的数学描述  17-18
    2.1.2 坐标系与坐标变换矩阵  18-20
  2.2 运动学分析  20-24
    2.2.1 连杆参数  20
    2.2.2 杆件速度  20-22
    2.2.3 末端速度  22-23
    2.2.4 系统动量  23-24
  2.3 空间刚性机器人及目标动力学建模  24-28
    2.3.1 机器人动力学模型  24-26
    2.3.2 逆动力学  26-27
    2.3.3 广义雅克比矩阵  27-28
    2.3.4 目标动力学模型  28
  2.4 本章小结  28-29
第3章 空间机器人抓取目标过程建模  29-42
  3.1 平面抓取碰撞过程建模  29-31
    3.1.1 模型假设与坐标系  29-30
    3.1.2 目标抓取域模型  30
    3.1.3 基于抓取域的碰撞模型  30-31
  3.2 空间抓取碰撞过程建模  31-34
    3.2.1 模型假设与坐标系  31-32
    3.2.2 目标抓取域模型  32-33
    3.2.3 基于抓取域的碰撞模型  33-34
  3.3 抓取控制  34-36
    3.3.1 关节主动阻尼控制  34-35
    3.3.2 基体姿态控制律  35-36
    3.3.3 抓取域控制  36
  3.4 抓取过程仿真分析  36-41
    3.4.1 两关节机械臂抓取过程仿真  36-38
    3.4.2 六关节机械臂抓取过程仿真  38-41
  3.5 本章小结  41-42
第4章 被抓取目标的惯性参数在线辨识  42-56
  4.1 惯性参数  42-43
    4.1.1 惯性参数表述  42
    4.1.2 惯性张量及其坐标系变换  42-43
  4.2 辨识方法  43-48
    4.2.1 测量和已知参数  43-44
    4.2.2 基于动量守恒的辨识方法  44-47
    4.2.3 基于牛顿—欧拉方程的辨识方法  47-48
  4.3 基于最小二乘法的在线参数估计  48-50
    4.3.1 基于误差预测的估计方法  48-49
    4.3.2 最小二乘估计方法  49-50
  4.4 参数辨识扰动误差分析  50-55
    4.4.1 最小二乘问题  50-53
    4.4.2 矩阵行满秩的条件  53-54
    4.4.3 线性最小二乘问题的扰动分析  54-55
  4.5 本章小结  55-56
第5章 目标参数辨识仿真分析  56-67
  5.1 平面抓取参数辨识仿真分析  56-61
    5.1.1 基于最小二乘法的参数辨识  56-58
    5.1.2 参数扰动分析  58-61
  5.2 空间抓取参数辨识仿真分析  61-66
    5.2.1 基于最小二乘法的参数辨识  61-63
    5.2.2 辨识误差分析  63-65
    5.2.3 参数扰动分析  65-66
  5.3 本章小结  66-67
结论  67-68
参考文献  68-73
攻读学位期间发表的学术论文  73-75
致谢  75

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人
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