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空间机器人遥操作管理系统可靠性分析和建模

华南理工大学学报（自然科学版） 2008年第1期36卷 8-12页

作者：张平卢人庆梁斌华南理工大学计算机科学与工程学院广东广州510640 哈尔滨工业大学深圳研究院广东深圳518057

为提高空间机器人遥操作管理系统(SRTMS)的可靠性,分析了SRTMS系统的体系结构,采用随机回报网建立了SRTMS系统的可靠性模型,并对SRTMS系统中各模块对SRTMS系统可靠性的影响进行了分析.结果表明,指令检查模块是影响SRTMS系统整体可靠性... 详细信息

为提高空间机器人遥操作管理系统(SRTMS)的可靠性,分析了SRTMS系统的体系结构,采用随机回报网建立了SRTMS系统的可靠性模型,并对SRTMS系统中各模块对SRTMS系统可靠性的影响进行了分析.结果表明,指令检查模块是影响SRTMS系统整体可靠性的瓶颈.

关键词：空间机器人遥操作可靠性随机回报网

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空间机器人微重力模拟实验系统研究综述

机器人 2009年第1期31卷 88-96页

作者：徐文福梁斌李成刘宇强文义哈尔滨工业大学空间智能系统研究所黑龙江哈尔滨150001 哈尔滨工业大学深圳研究院博士后工作站广东深圳518057 哈尔滨工业大学控制科学与工程系黑龙江哈尔滨150001

介绍了微重力模拟实验系统的特点,归纳了研究中的关键问题.总结了主要实现方法,包括:基于自由落体运动、基于抛物线飞行、气浮式、水浮式、吊丝配重式实验系统,以及硬件在环内(hardware in loop)的混合地面实验系统.讨论、比较了各种实... 详细信息

介绍了微重力模拟实验系统的特点,归纳了研究中的关键问题.总结了主要实现方法,包括:基于自由落体运动、基于抛物线飞行、气浮式、水浮式、吊丝配重式实验系统,以及硬件在环内(hardware in loop)的混合地面实验系统.讨论、比较了各种实验系统的应用背景及优缺点;在此基础上,提出了动力学模拟与运动学等效的两种思想,并建立了实验系统,以对路径规划、控制等关键算法进行评估和验证.

关键词：空间机器人微重力重力补偿实验系统在轨服务

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空间机器人视觉伺服半物理仿真的原理与实现

控制与决策 2009年第6期24卷 825-831页

作者：徐文福强文义梁斌李成刘宇哈尔滨工业大学空间智能系统研究所哈尔滨工业大学控制科学与工程系哈尔滨150001

针对在地面很难对空间机器人目标捕获过程进行微重力环境下的真实实验问题,建立了半物理仿真系统,以对图像处理、路径规划以及控制等关键算法进行验证.该系统的关键在于将"虚拟环境"与"真实环境"结合起来,利用真实视觉对虚拟环境进行3D... 详细信息

针对在地面很难对空间机器人目标捕获过程进行微重力环境下的真实实验问题,建立了半物理仿真系统,以对图像处理、路径规划以及控制等关键算法进行验证.该系统的关键在于将"虚拟环境"与"真实环境"结合起来,利用真实视觉对虚拟环境进行3D重构,以计算目标的相对位置和姿态,实现对视觉伺服控制的闭环仿真.从理论上推导了半物理仿真的原理,并提出了等效投影模型的标定方法.仿真结果表明了该方法的有效性.

关键词：空间机器人视觉伺服半物理仿真路径规划控制

柔性基、柔性铰空间机器人基于状态观测的改进模糊免疫混合控制及抑振研究

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振动与冲击 2018年第19期37卷 174-182页

作者：陈志勇李振汉张婷婷福州大学机械工程及自动化学院福州350116

研究了在有界外部扰动、基座姿态控制输入比例不确定影响下,柔性基、柔性铰空间机器人系统的刚性轨迹跟踪控制及柔性振动抑制问题。结合系统动量守恒原理、拉格朗日法并应用柔性补偿与奇异摄动技术,建立了柔性基、柔性铰空间机器人的奇... 详细信息

研究了在有界外部扰动、基座姿态控制输入比例不确定影响下,柔性基、柔性铰空间机器人系统的刚性轨迹跟踪控制及柔性振动抑制问题。结合系统动量守恒原理、拉格朗日法并应用柔性补偿与奇异摄动技术,建立了柔性基、柔性铰空间机器人的奇异摄动动力学方程。为消除系统外部扰动、不确定控制输入比例对空间机器人轨迹跟踪精度的影响,在传统免疫控制算法基础上引入线性速度观测器及模糊控制器,提出一种基座姿态与机械臂各关节协调运动且不依赖于被控慢变子系统模型的改进模糊免疫混合控制律。为主动抑制基座、关节所产生的双重柔性振动,针对快变子系统提出一种基于线性状态观测器的最优控制律。综合上述两个控制律,得到了一种改进模糊免疫混合控制及抑振方案。所提控制方案无需在实时控制过程中对空间机器人的相关速度信号进行测量与反馈,并对系统不确定性保持有很强的鲁棒性。仿真实验结果证实了方案在系统刚、柔性运动控制上的有效性。

关键词：空间机器人状态观测模糊免疫混合控制振动抑制最优控制

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空间机器人动力学参数实时解算系统研究

空间机器人动力学参数实时解算系统研究

作者：孙海洋北京邮电大学

学位级别：硕士

近年来,我国探索太空的活动越来越频繁,空间机器人的应用也越来越广泛。空间机器人主要工作在太空中,但又要经受地面发射环境的考验,同时由于一些在轨操作任务需要采用复杂的控制算法,这些都对系统的处理能力和实时性有着更高的要求。... 详细信息

近年来,我国探索太空的活动越来越频繁,空间机器人的应用也越来越广泛。空间机器人主要工作在太空中,但又要经受地面发射环境的考验,同时由于一些在轨操作任务需要采用复杂的控制算法,这些都对系统的处理能力和实时性有着更高的要求。传统的多核处理器已难以胜任。基于以上现状,本论文针对空间机器人力位混合控制算法展开了深入研究,提出了用于空间机器人力位混合控制算法的动力学参数实时解算系统,利用硬件电路的并行处理能力实现加速算法的目的,搭建了系统的硬件测试平台,以典型的任务为例进行实验,最终验证了空间机器人动力学参数实时解算系统的有效性。首先本文对国内外空间机器人研究现状和动力学计算研究现状进行了分析,提出了本文的研究背景意义和方向。根据七自由度空间机械臂的构型,深入研究了其动力学方程,在此基础上,进一步推导出空间机器人动力学参数解算方法。其次,对动力学参数解算系统的需求进行了分析,在此基础上,通过对FPGA的选型,数据类型的选择等对比设计,最终给出了空间机器人动力学参数实时解算系统的设计方案。再次,根据空间机器人动力学参数解算系统的设计方案,将整个解算系统划分为多个子模块。针对每个子模块进行了详细的设计,最终在FPGA上采用硬件逻辑实现了系统的功能。同时为了评估系统设计的合理性,对每个模块实现所消耗的硬件逻辑资源进行了统计。最后,搭建系统硬件测试平台,针对空间机器人动力学参数实时解算系统进行了相关测试和实验研究,实验结果验证了所提出的空间机器人动力学参数实时解算系统的可行性和有效性。

关键词：空间机器人力位混合控制动力学解算 FPGA

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空间机器人自动组集动力学与鲁棒控制研究

空间机器人自动组集动力学与鲁棒控制研究

作者：李瑾岳北京理工大学

学位级别：硕士

空间机器人具备代替航天员进行在轨服务的潜力,因而受到越来越多的关注。为应对愈加复杂的航天任务,近年来,空间机器人的构型也愈加复杂,例如系统带有多臂机械臂、运动自由度数目较大。复杂的构型也令空间机器人的动力学建模及控制问题... 详细信息

空间机器人具备代替航天员进行在轨服务的潜力,因而受到越来越多的关注。为应对愈加复杂的航天任务,近年来,空间机器人的构型也愈加复杂,例如系统带有多臂机械臂、运动自由度数目较大。复杂的构型也令空间机器人的动力学建模及控制问题更加具有挑战性。为此,期望研究出空间机器人高效动力学建模分析方法及新型控制方法。本文以带有多部机械臂的空间机器人为研究对象,对其动力学建模及鲁棒控制问题研究。首先,研究空间机器人系统的动力学建模问题,基于凯恩方法建立空间机器人系统的动力学模型,并总结出带有任意部柔性机械臂的空间机器人一般动力学方程。为后续的动力学方程编写程序设计及先进控制器设计提供基础。其次,根据所建立的空间机器人一般动力学方程,总结其方程在形式上的规律,研制了多体系统显式动力学方程编制技术,并利用该技术建立空间机器人动力学模型,对其准确性进行验证。所研制程序根据所输入系统构型即可自动编写其动力学方程,极大的简化了空间机器人动力学推导过程,给空间机器人性能分析、设计控制器及工程实践带来了便利。再次,对空间机器人的动态跟踪问题展开了研究,分别基于无源性理论及分布式控制理论,设计了有限时间无源控制器及分布式终端滑模控制器。有限时间无源控制器通过运用无源性理论,设计系统的能量存储方程,从而保证被控系统的稳定性;分布式控制器在每个自由度处单独进行控制器设计,对系统动力学模型依赖性较低,灵活性更高。所设计的两种控制器均不依赖于系统的准确模型,并且能够保证系统跟踪误差与有限时间内收敛于零处,因此具有较强的鲁棒性。最后结合所设计系统动力学模型和鲁棒控制器,进行空间机器人运动仿真。仿真结果表明,在所设计控制器的控制下,空间机器人能够跟踪期望轨迹,并且相较于传统的PD控制器具有更好的跟踪性能与抗干扰性。

关键词：空间机器人动力学自动编制技术无源性分布式控制

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空间机器人抓捕非合作目标的智能控制与识别

空间机器人抓捕非合作目标的智能控制与识别

作者：刘帅大连理工大学

学位级别：硕士

空间机器人在空间在轨服务中具有不可替代的作用,航天任务的日益复杂与太空环境的愈发严峻,人类的太空遥操作已经不能满足未来航天任务的要求,更多的是需要空间机器人自身具备一定的智能性,面对外界太空环境的变化能够自主地进行决策与... 详细信息

空间机器人在空间在轨服务中具有不可替代的作用,航天任务的日益复杂与太空环境的愈发严峻,人类的太空遥操作已经不能满足未来航天任务的要求,更多的是需要空间机器人自身具备一定的智能性,面对外界太空环境的变化能够自主地进行决策与行动。因此,无人智能化是未来空间机器人的重要发展方向。本文以空间机器人抓捕非合作目标为研究对象,针对抓捕目标的非合作特性,以人工智能方法为技术背景,研究了空间机器人抓捕非合作目标过程中的抓捕控制问题与目标识别问题。本文的主要研究内容包括以下几个方面:(1)以自由飞行空间机器人为研究对象,采用多体动力学对其进行简化建模,运用拉格朗日方程得到空间机器人的动力学方程,研究抓捕目标航天器过程中的碰撞效应。最后对空间机器人系统的动力学进行仿真分析,在空间机器人的运动过程中,机械臂与基座平台构成了一个时变非线性耦合动力学系统。(2)在空间机器人抓捕非合作目标过程中,提出一种强化学习控制与PD控制组成的双回路控制方法,对空间机器人基座平台轨道姿态与机械臂运动进行控制。内回路中将强化学习与模糊理论结合在一起设计控制器对机械臂末端运动进行控制,外回路中采用PD控制对基座平台姿态轨道态进行稳定控制。最后使用所提控制方法进行数值仿真,并与传统PD控制方法作对比,验证控制方法的有效性。结果表明,强化学习控制下的机械臂运动过程平稳,控制精度较高,具有较好的自主学习能力,更加适应于抓捕目标的非合作特性。(3)提出深度学习的方法对非合作目标进行图像识别。目标航天器的非合作特性使得人工识别具有一定的困难,本文采用深度学习中的YoloV3网络结构,对识别非合作目标航天器任务进行了神经网络训练,并进行目标识别实验验证。实验结果表明,采用深度学习的方法能够有效完成对目标航天器的识别,而且不受目标航天器的非合作特性限制,对太阳光照等外界信息不敏感,具有重要研究意义。

关键词：空间机器人非合作目标拉格朗日方程强化学习深度学习

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柔性基和柔性关节空间机器人双重自适应控制

华中科技大学学报（自然科学版） 2019年第1期47卷 32-38页

作者：陈志勇李振汉福州大学机械工程及自动化学院

为实现参数未知柔性基和柔性关节空间机器人的刚性运动控制及柔性振动抑制,提出一种基于非确定性等价原理的双重自适应控制方案.结合拉格朗日法、动量守恒原理及奇异摄动法,导出基座姿态受控模式下的系统动力学方程及其在双时间尺度下... 详细信息

为实现参数未知柔性基和柔性关节空间机器人的刚性运动控制及柔性振动抑制,提出一种基于非确定性等价原理的双重自适应控制方案.结合拉格朗日法、动量守恒原理及奇异摄动法,导出基座姿态受控模式下的系统动力学方程及其在双时间尺度下的快、慢变子系统.利用一类新型低通滤波信号对系统回归矩阵进行修正,针对慢变子系统设计一种可多参数调节的非确定性等价自适应控制策略,以实现参数未知工况下基座姿态及关节的轨迹跟踪.针对具有不确定性快变子系统,设计一种可使快变子系统渐近稳定、抑制基座和关节柔性振动的自适应控制策略.仿真结果验证了所提双重自适应控制方案在系统刚、柔性运动控制上的有效性.

关键词：空间机器人柔性基柔性关节非确定性等价双重自适应控制

面向在轨建造的空间机器人末端执行器及适配接口设计与验证

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机械工程学报 2024年第3期60卷 1-10页

作者：赵亮亮刘子毅赵京东段启帆王梓睿刘宏哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室哈尔滨150001

针对大型空间设施在轨建造任务需求,以空间多分支机器人为应用对象,设计了一种末端执行器及三种适配接口,用于完成识别、定位、捕获、搬运、装配、攀爬和探测等任务。通过分析在轨建造任务需求,以装配对象参数、机器人性能等为依据提出... 详细信息

针对大型空间设施在轨建造任务需求,以空间多分支机器人为应用对象,设计了一种末端执行器及三种适配接口,用于完成识别、定位、捕获、搬运、装配、攀爬和探测等任务。通过分析在轨建造任务需求,以装配对象参数、机器人性能等为依据提出了设计指标。制定了末端执行器机械结构、电气系统的总体方案,并设计了三种适配接口;针对容差需求,分析了对接过程的容差条件和力学条件,优化了关键部件几何参数;针对锁紧需求,建立了锁紧过程运动学、力学模型,并采用组合运动规律,优化了圆柱凸轮曲线槽。通过仿真及试验,验证了容差、锁紧设计的正确性,并进行在轨装配、在轨攀爬的地面模拟试验,进一步验证了末端执行器及适配接口的性能,为大型空间设施的在轨建造奠定了基础。

关键词：在轨建造空间机器人末端执行器适配接口对接锁紧