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在轨服务空间机械臂运动及任务规划方法研究

作　者: 曾岑
导　师: 魏小鹏
学　校: 大连理工大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 空间机械臂运动规划分段进化遗传算法任务规划
分类号: TP241
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

机械臂在空间在轨服务过程中起着非常重要的作用,系统地应用空间机械臂能提高宇航员的工作效率并能有效地节省费用,而自由漂浮空间机械臂由于其耗能低,寿命长,近些年来逐渐成为空间在轨服务研究的重点。本文以两项国家863科研项目为依托,主要研究空间机械臂的运动学建模问题、空间机械臂的运动规划、基于在轨服务的多目标任务规划、避障规划以及空间机械臂综合任务规划,并应用Orbiter系统进行仿真研究。本文的主要内容为：(1)调研了国内外空间机械臂的发展情况,介绍了空间在轨服务的任务体系及典型任务,最详细阐述了近年来国内外的空间机械臂理论研究的重点难点问题。(2)基于四点假设,建立了空间机械臂的坐标系统。对广义雅克比矩阵及虚拟机械臂的建模方法进行分析,针对目前建模方法的计算量大、系统模型不直观的问题,提出了基于互相映射的坐标系方法。(3)进行了自由漂浮空间机械臂运动规划研究,分别包括：关节空间点到点运动规划、笛卡尔空间点到点的路径规划和笛卡尔空间连续性路径规划。(4)根据当前空间机械臂的任务追踪过程以及在轨服务任务的复杂情况,建立了空间机械臂多目标在轨任务模型。结合邻域搜索算法利用非线性分段优化算法解决空间机械臂的多目标任务的问题。(5)建立了不同种类障碍物的包围盒及碰撞检测算法,使用位姿空间分段搜索的方法解决了机械臂与服务星和目标星的碰撞问题,提出了基于遗传算法的全局性避障及任务规划方法。(6)应用Orbiter系统对空间机械臂的整体任务规划进行了仿真和验证,并模拟了在轨服务观测的摄像头视角,更直观地仿真了空间机械臂系统的在轨服务任务。本文的主要创新工作如下：(1)提出了建立互映射空间坐标系的方法,改进了广义雅可比矩阵的建模方法,使得模型更直观,有效地降低了广义雅克比矩阵方法计算复杂度。(2)在基于笛卡尔空间的点到点运动规划方法中,利用基于六次多项式样条函数的双参数法规划关节的角速度变化曲线,结合牛顿法和割线法对关节参数迭代,提高了迭代效率,得到的空间机械臂运动轨迹满足任务要求。(3)在空间机械臂的连续性路径规划方面,为避免连续性路径过程中动力学奇异问题,基于分段进化算法,将连续性路径规划转化为点到点路径规划,解决了连续性路径规划不连续可微和动力学奇异点的问题,增加了机械臂规划轨迹的灵活性。(4)提出了遗传进化算法与包围盒碰撞检测算法、分段算法相结合的方法解决空间机械臂的避障规划与任务规划,可解决避障规划中所产生的对基座扰动大且耗能过多的问题。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
1 绪论  11-33
  1.1 课题依托及意义  11-12
    1.1.1 课题依托  11
    1.1.2 研究的意义与目的  11-12
  1.2 空间机械臂  12-16
    1.2.1 空间机械臂概述  12
    1.2.2 国外空间机械臂概述  12-16
    1.2.3 国内空间机械臂研究现状  16
  1.3 空间在轨服务任务  16-22
    1.3.1 空间在轨服务概念及类别  16-19
    1.3.2 空间机械臂在轨服务体系  19-22
  1.4 国内外空间机械臂研究的重难点问题  22-31
    1.4.1 建模问题  22-24
    1.4.2 空间机械臂的运动学及动力学问题  24-28
    1.4.3 空间机械臂的动力学奇异问题  28-31
  1.5 本章小结  31-33
2 空间机械臂的运动学及动力学方程  33-55
  2.1 引言  33
  2.2 基座固定机械臂的运动学及动力学  33-43
    2.2.1 基座固定机械臂的结构及坐标系的建立  33-37
    2.2.2 基座固定机械臂的逆向运动学方程  37-39
    2.2.3 基座固定机械臂的雅可比矩阵  39-40
    2.2.4 基座固定机械臂的动力学  40-43
  2.3 空间机械臂的运动学及动力学方程  43-50
    2.3.1 空间机械臂的建模  43-44
    2.3.2 空间机械臂的运动学  44-48
    2.3.3 空间机械臂的动力学  48-50
  2.4 改进的互映射空间机械臂运动学建模  50-54
  2.5 本章小结  54-55
3 自由漂浮机械臂的运动规划  55-83
  3.1 引言  55
  3.2 自由漂浮机械臂的运动规划  55-58
  3.3 自由漂浮机械臂点到点的运动规划  58-73
    3.3.1 空间机械臂姿态的三种表示方法  58-60
    3.3.2 空间机械臂基于关节空间的点到点的运动规划  60-65
    3.3.3 基于笛卡尔空间的点到点的路径规划问题  65-73
  3.4 连续性路径规划算法  73-82
    3.4.1 笛卡尔空间的连续性路径规划算法  73-75
    3.4.2 基于分段进化算法的空间机械臂的连续性运动规划算法  75-82
  3.5 本章小结  82-83
4 空间在轨服务机械臂的避障及任务规划  83-116
  4.1 空间机械臂的在轨任务  83-87
    4.1.1 空间机械臂的任务追踪过程  83-85
    4.1.2 空间机械臂的在轨服务任务的复杂情况  85-87
  4.2 空间机械臂多目标在轨任务模型  87-90
  4.3 空间机械臂多目标任务的任务规划  90-94
  4.4 空间机械臂在轨观察任务的避障规划  94-98
    4.4.1 障碍的分类处理  94-95
    4.4.2 利用包围盒算法的空间机械臂的碰撞检测  95-98
  4.5 空间机械臂的避障规划  98-104
    4.5.1 避障方法概述  98
    4.5.2 在轨服务空间机械臂的避障规划  98-104
  4.6 基于遗传算法的空间机械臂的综合任务规划  104-114
    4.6.1 遗传算法概述  104-106
    4.6.2 初始群体的建立  106-107
    4.6.3 遗传算法各算子的设计  107-110
    4.6.4 适应度函数的建立  110-112
    4.6.5 终止条件  112-114
  4.7 本章小结  114-116
5 空间机械臂运动及任务规划仿真平台  116-146
  5.1 Orbiter仿真环境的优越性  116-119
  5.2 空间机械臂的多样化配置  119-125
    5.2.1 场景配置文件  121-122
    5.2.2 物体配置文件  122-124
    5.2.3 面向空间机械臂的配置  124-125
  5.3 空间机械臂的仿真  125-129
    5.3.1 空间机械臂的仿真流程  125
    5.3.2 空间机械臂的位姿确定方法  125-127
    5.3.3 数据驱动空间机械臂的可视化方法  127-129
  5.4 基于MFD的空间机械臂的状态仿真  129-136
    5.4.1 Orbiter仿真环境中的MFD  129-132
    5.4.2 空间机械臂的状态显示  132-136
  5.5 空间机械臂的在轨任务规划仿真  136-144
    5.5.1 模型的定制及导入  136-139
    5.5.2 空间机械臂在轨观测任务的仿真  139-144
  5.6 本章小结  144-146
6 结论与展望  146-148
创新点摘要  148-149
参考文献  149-162
攻读博士学位期间科研成果  162-163
致谢  163-164
作者简介  164-165

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