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翻滚目标逼近的虚拟域逆动力学轨迹规划

控制理论与应用 2018年第10期35卷 1464-1472页

作者：武海雷韩飞贺亮孙玥刘超镇上海航天控制技术研究所上海201109 上海市空间智能控制技术重点实验室上海201109 哈尔滨工业大学航天学院黑龙江哈尔滨150001

针对追踪星自主逼近和跟踪翻滚目标特定部位的最优规划问题,提出了一种基于虚拟域逆动力学的多约束最优逼近轨迹规划方法.首先,在翻滚目标本体系下建立追踪星相对于翻滚目标特定部位的相对轨道动力学方程,并建立追踪星本体系相对于翻滚... 详细信息

针对追踪星自主逼近和跟踪翻滚目标特定部位的最优规划问题,提出了一种基于虚拟域逆动力学的多约束最优逼近轨迹规划方法.首先,在翻滚目标本体系下建立追踪星相对于翻滚目标特定部位的相对轨道动力学方程,并建立追踪星本体系相对于翻滚目标期望固连坐标系的相对姿态动力学方程;其次,考虑目标星外形、敏感器视场和执行机构控制能力等约束条件,建立时间/能量最优规划模型;然后,采用序列二次规划(sequential quadratic programming,SQP)方法求解时间/能量最优规划问题;最后,数值仿真验证了该方法在满足多约束条件下,可实现对翻滚目标自主逼近与跟踪的最优轨迹规划,同时与高斯伪谱法进行了对比,验证了本方法在计算效率方面的优势.

关键词：翻滚目标相对动力学逆动力学轨迹规划

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翻滚目标安全走廊内的碰撞可能性判断方法

哈尔滨工业大学学报 2018年第4期50卷 94-101,187页

作者：王逍温昶煊赵育善师鹏北京航空航天大学宇航学院北京100191 中国科学院太空应用重点实验室(中国科学院空间应用工程与技术中心) 北京100094

在接近空间带大附件翻滚目标过程中,由于目标章动运动,空间会被划分为目标扫过的危险区与不被扫过的安全区.追踪星在目标安全区内飞行过程中,为规避航天器间的碰撞,应判断追踪星与目标安全区之间是否存在碰撞可能性.为解决这一问题,参... 详细信息

在接近空间带大附件翻滚目标过程中,由于目标章动运动,空间会被划分为目标扫过的危险区与不被扫过的安全区.追踪星在目标安全区内飞行过程中,为规避航天器间的碰撞,应判断追踪星与目标安全区之间是否存在碰撞可能性.为解决这一问题,参考区域判定法思想,将判断碰撞可能性的问题转化为目标安全区与追踪星轨迹的位置判定问题.通过分析目标安全区特征与追踪星轨迹特点,分别建立锥面状的目标星安全走廊和椭球状的追踪星位置误差曲面,从而进一步将问题转化为目标星安全走廊锥面与追踪星位置误差椭球的位置判定问题.经过射影变换和平面投影过程,原锥面与椭球在不改变位置关系的前提下分别被转化为平面上圆与椭圆.利用平面曲线位置判据,判定圆与椭圆的位置关系,反推出锥面与椭球的位置关系,从而判断追踪星在目标安全走廊内飞行有无碰撞可能性.数值仿真表明,该方法可以准确判断锥面与椭球的空间位置关系,并可用于目标安全走廊内的碰撞可能性判断.

关键词：翻滚目标安全走廊二次曲面碰撞判断射影变换

空间双臂机器人抓捕翻滚目标后的鲁棒稳定控制

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力学学报 2021年第4期53卷 1138-1155页

作者：夏鹏程罗建军王明明西北工业大学深圳研究院广东深圳518057 西北工业大学航天学院西安710072

针对空间双臂机器人抓捕翻滚目标的稳定控制问题,由于目标惯性参数的不确定性以及双臂同时作用于目标存在内力挤压,已有的稳定控制方法无法有效地约束机械臂末端与目标的接触力与力矩,无法保证控制过程中抓捕点处的接触安全.为此,本文... 详细信息

针对空间双臂机器人抓捕翻滚目标的稳定控制问题,由于目标惯性参数的不确定性以及双臂同时作用于目标存在内力挤压,已有的稳定控制方法无法有效地约束机械臂末端与目标的接触力与力矩,无法保证控制过程中抓捕点处的接触安全.为此,本文考虑被抓捕目标惯性参数不确定性与双臂内力挤压对抓捕后阶段组合体稳定控制的影响,提出了一种保证接触安全的鲁棒稳定控制方法.首先,根据目标的有界不确定性构造鲁棒正不变集,同时考虑双臂与目标接触内力的影响,利用预测控制方法在该不变集内规划控制目标运动的虚拟接触力与力矩.然后,根据目标动力学模型以及空间双臂机器人的运动约束,规划空间双臂机器人的鲁棒安全期望运动轨迹.最后,利用障碍李雅普诺夫函数构造跟踪控制器,使空间双臂机器人有效地跟踪期望轨迹,从而使得翻滚目标运动受到等效于虚拟控制律的作用,在保证接触安全的同时实现鲁棒的稳定控制.通过空间双臂机器人稳定翻滚目标的仿真算例验证了所提方法的有效性.

关键词：翻滚目标空间双臂机器人抓捕后阶段鲁棒控制障碍李雅普诺夫函数

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基于能力评估的空间翻滚目标抓捕策略优化

力学学报 2021年第10期53卷 2841-2852页

作者：许若男罗建军王明明西北工业大学深圳研究院广东深圳518057 西北工业大学航天学院西安710072

由于目标的翻滚运动,空间双臂机器人对动态目标的抓捕相比于静态目标更具有挑战性.对抓捕策略进行优化可以提高空间双臂机器人对翻滚目标的操作能力以保证任务的成功.本文提出了一种基于能力评估的抓捕策略优选方法.空间双臂机器人捕获... 详细信息

由于目标的翻滚运动,空间双臂机器人对动态目标的抓捕相比于静态目标更具有挑战性.对抓捕策略进行优化可以提高空间双臂机器人对翻滚目标的操作能力以保证任务的成功.本文提出了一种基于能力评估的抓捕策略优选方法.空间双臂机器人捕获目标时,双臂末端执行器与目标同时接触形成闭链系统,闭链约束的引入使操作能力的评估更加复杂.在对双臂空间机器人协调操作翻滚目标的运动学与动力学分析基础上,建立了考虑闭链约束的协调工作空间,并分析了基于任务兼容度的消旋能力评估指标.建立的协调工作空间同时包含位置和姿态信息,可以用于灵巧度的计算.接着,基于协调工作空间的全局灵巧度指标确定机械臂末端执行器对目标的最优抓捕点,以及考虑相机视角约束和末端执行器对目标速度跟踪约束下的力任务兼容度指标确定空间双臂机器人捕获翻滚目标时的最优抓捕构型.利用能力评估确定抓捕策略可以充分利用双臂的协调性以增加对动态目标的操作能力,通过仿真验证了所提抓捕策略的可行性和有效性.

关键词：空间双臂机器人翻滚目标工作空间任务兼容度抓捕策略

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逼近与跟踪空间翻滚目标的图像视觉伺服控制

控制理论与应用 2018年第10期35卷 1473-1483页

作者：韩飞段广仁王兆龙贺亮武海雷宋婷哈尔滨工业大学航天学院黑龙江哈尔滨150001 上海市空间智能控制技术重点实验室上海201109

在空间翻滚目标的最终逼近与跟踪任务段,追踪星对目标星的视觉相对导航会因进入盲区而失效,而基于间接相对导航的位置视觉伺服控制精度太差.针对该问题,基于图像视觉伺服思想,直接利用目标图像特征点坐标,建立了超近距离姿轨跟踪的成像... 详细信息

在空间翻滚目标的最终逼近与跟踪任务段,追踪星对目标星的视觉相对导航会因进入盲区而失效,而基于间接相对导航的位置视觉伺服控制精度太差.针对该问题,基于图像视觉伺服思想,直接利用目标图像特征点坐标,建立了超近距离姿轨跟踪的成像运动模型,推导得到指数收敛的图像视觉伺服期望广义速度、相对位置估计修正量,进而引入基于双滑模面控制律的相对姿轨耦合控制闭环,从而提出了间接估计辅助的图像视觉伺服控制方法.数学仿真结果表明:该方法的相对位置和姿态控制精度显著提高,可为空间翻滚目标最终逼近与跟踪任务提供安全、准确、稳定的相对姿态和轨道条件.

关键词：翻滚目标最终逼近滑模控制图像视觉伺服

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逼近与跟踪翻滚目标的双滑模面姿轨耦合控制

哈尔滨工程大学学报 2018年第1期39卷 23-32页

作者：韩飞吴限德段广仁武海雷王兆龙孙炳磊哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院上海市空间智能控制技术重点实验室

针对空间翻滚目标的逼近与跟踪控制,建立了适用于任意抓捕部位的相对姿态轨道耦合动力学模型,设计了具备测量不确定性和干扰补偿、抖振抑制等能力的鲁棒双滑模面控制律,分析并建立了测量误差在系统中向控制输入的传播模型。在充分考虑... 详细信息

针对空间翻滚目标的逼近与跟踪控制,建立了适用于任意抓捕部位的相对姿态轨道耦合动力学模型,设计了具备测量不确定性和干扰补偿、抖振抑制等能力的鲁棒双滑模面控制律,分析并建立了测量误差在系统中向控制输入的传播模型。在充分考虑测量不确定性、控制干扰、输入受限等条件下,分别对单滑模面控制律和双滑模面控制律进行了仿真验证和对比分析,结果验证了双滑模面控制律在测量不确定性和未知干扰系统中具备更优的控制性能,收敛稳定更快,精度更高。

关键词：翻滚目标姿轨耦合测量不确定性双滑模面控制跟踪控制动力学模型

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翻滚目标逼近与跟踪的自适应控制

翻滚目标逼近与跟踪的自适应控制

作者：郭俊欣哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

自1957年开始,每年都有大量的航天器被发射到了太空轨道之中。其中有不少航天器由于超期服役或是设备故障而成为失效航天器。这些失效航天器因为失去控制能力而不能保持稳定的姿轨状态,在空间摄动力矩以及各种干扰作用下,常常处于自由... 详细信息

自1957年开始,每年都有大量的航天器被发射到了太空轨道之中。其中有不少航天器由于超期服役或是设备故障而成为失效航天器。这些失效航天器因为失去控制能力而不能保持稳定的姿轨状态,在空间摄动力矩以及各种干扰作用下,常常处于自由翻滚和飘飞的状态。失效航天器不仅占据了所剩不多的轨道空间,还对其他航天器的安全造成严重威胁。在这样的背景下,在轨服务技术应运而生,并逐渐成为各航天大国的热门研究领域。本文以空间翻滚的失控卫星作为目标,以追踪卫星作为控制对象,在空间抓捕任务的背景下,重点研究抓捕任务的最终逼近段——从两星间表面相对距离5m处逼近与跟踪至1m处。考虑到相对距离逼近到了2m以内时,追踪星上安装的相对视觉导航装置只能拍摄目标星的局部,从而无法得到准确的姿轨信息,需要更换控制方法。因此将两星间表面相对距离5m以内的逼近与跟踪任务细分为两个子阶段分别加以考虑:一阶段为近距离(5m-2m)逼近与跟踪,在这一阶段中相对视觉导航装置能够正常获取目标姿轨信息;二阶段为超近距离(2m-1m)逼近与跟踪,这时相机视场无法覆盖目标星主体,需要更换为视觉伺服算法。首先,建立了追踪卫星和目标卫星的轨道和姿态运动模型,紧接着建立两星之间的相对姿轨运动模型。由于追踪星需要与目标星的被抓捕平面(由任务设定)保持同步追踪状态,因此需要建立相对姿轨耦合运动模型。最后基于该耦合运动模型建立偏差模型,用于后续控制。随后,在上述偏差模型基础上,设计了近距离(5m-2m)逼近与跟踪控制律。考虑到太空中广泛存在的外部干扰和建模的不确定性,选用了带非线性干扰观测器的自适应滑模控制律,能够对扰动项进行估计和补偿。经仿真验证,该方法能够达成预设的时间和精度要求下的近距离逼近与跟踪任务。最后,在超近距离(2m-1m)逼近与跟踪阶段,利用小孔成像原理建立了两星成像运动模型。采用了图像视觉伺服方法确立了视觉特征点与相机光芯的位置和速度关系,使用了双目立体视觉来获取两星相对距离。超近距离(2m-1m)的轨道控制通过追踪中心特征点来实现,而姿态控制则利用数个视觉特征点间的相对几何关系来实现。基于上述的相对关系,设计了模糊参数自适应调整PD控制律。经仿真验证,能够实现翻滚目标的稳定逼近和跟踪,并满足任务所需的精度要求。

关键词：翻滚目标逼近跟踪自适应控制滑模控制视觉伺服模糊控制

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空间翻滚目标安全逼近轨迹规划与控制

空间翻滚目标安全逼近轨迹规划与控制

作者：刘铭扬哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

年久失修的航天器进入寿命末期,因逐渐失去通信能力而不能提供自身轨道姿态信息,甚至变为空间中自由翻滚的失控卫星,占用轨道资源并危害正常航天器。因此,需要对空间中的废弃航天器进行在轨服务,而空间翻滚目标的近距离安全逼近任务,就... 详细信息

年久失修的航天器进入寿命末期,因逐渐失去通信能力而不能提供自身轨道姿态信息,甚至变为空间中自由翻滚的失控卫星,占用轨道资源并危害正常航天器。因此,需要对空间中的废弃航天器进行在轨服务,而空间翻滚目标的近距离安全逼近任务,就是在轨服务中极为重要的一项内容。本文以空间翻滚卫星为目标,研究对空间翻滚目标的近距离阶段安全逼近问题。首先,建立了翻滚目标逼近任务的运动模型。给出空间交会对接任务的常用坐标系,由此分别建立了追踪星和目标星两星的轨道动力学模型和姿态动力学模型,进而建立了追踪星相对于目标星的相对轨道姿态动力学模型。然后基于实际轨迹与期望轨迹的偏差,建立了面向控制的轨道姿态二阶非线性运动模型,为后续控制算法的设计提供了基础。其次,基于凸优化方法设计了对翻滚目标安全逼近的实时轨迹规划算法。考虑到翻滚卫星逼近任务的高动态性,结合序列迭代思想设计了一种能够实时更新起始点和终端点,并能够主动避障的轨迹优化算法,构建了翻滚目标安全逼近任务的轨迹优化模型,并对该模型进行了凸化和离散化,转化为能为凸优化算法使用的子模型,仿真显示该轨迹优化算法的安全性与高效性。最后,针对建立的面向控制的二阶非线性相对运动模型,给出了一种自适应滑模控制算法。由于模型中含有大量量测误差和有界干扰,因此选用滑模控制方法实现对翻滚卫星的逼近。本文设计了改进的自适应滑模控制方法,能在必要时增加控制增益,降低设计的保守性,并对量测误差和外部干扰具有很强的鲁棒性,同时引入了性能函数解决生成期望轨迹需要解算时间而无法获得准确初值的问题。对设计的控制律给出了严格的稳定性证明,数学仿真表明跟踪误差可以在短时间内收敛到零附近,说明了控制算法的有效性。

关键词：翻滚目标逼近跟踪凸优化轨迹规划滑模控制

双臂空间机器人捕获翻滚目标后参数辨识和控制技术研究

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双臂空间机器人捕获翻滚目标后参数辨识和控制技术研究

作者：薛爽爽西北工业大学

学位级别：硕士

空间机器人对目标的在轨捕获技术是在轨服务的关键技术之一,它是实现航天器在轨维修、在轨加注、空间碎片清理等在轨服务活动的基础和前提,在轨捕获操作的整个过程一般可以分为四个阶段:预捕获阶段、接触碰撞阶段、后捕获阶段、组合体... 详细信息

空间机器人对目标的在轨捕获技术是在轨服务的关键技术之一,它是实现航天器在轨维修、在轨加注、空间碎片清理等在轨服务活动的基础和前提,在轨捕获操作的整个过程一般可以分为四个阶段:预捕获阶段、接触碰撞阶段、后捕获阶段、组合体稳定控制阶段。出于安全考虑,空间机器人在接近目标准备抓捕时会关闭基座的姿轨控系统,成为自由漂浮系统。双臂空间机器人相比于单臂空间机器人具有更好的灵活性和协调操作的能力,因此在捕获非合作翻滚目标时具有先天的优势。然而由于非合作翻滚目标的动力学参数和初始角动量未知,自由漂浮空间机器人在捕获此类目标后面临十分复杂的控制问题。此外,为了保证组合体稳定控制段及后续操作中的控制精度和稳定性,还需要在后捕获段完成对目标动力学参数的辨识。因此,本文主要研究了自由漂浮双臂空间机器人在后捕获阶段的控制技术和目标动力学参数辨识技术。论文的主要研究工作和成果如下:第一,针对自由漂浮双臂空间机器人捕获翻滚目标后的控制问题,提出了一种分段控制策略实现后捕获阶段的目标动力学参数辨识、目标停泊、基座姿态重定向和稳定控制。该控制策略将自由漂浮双臂空间机器人后捕获段控制划分为三个阶段进行处理:第一阶段利用抓捕臂和辅助臂与基座之间的运动耦合特性实现自适应基座姿态无扰控制,并根据此阶段的测量信息完成对目标动力学参数的在线辨识;第二阶段在线规划并跟踪抓捕臂的关节运动轨迹实现目标停泊;第三阶段结合第一阶段辨识得到的目标动力学参数,利用分布式动量控制方法通过转移系统角动量完成基座姿态的重新定向和稳定控制。第二,研究了自由漂浮双臂空间机器人的后捕获段基座姿态无扰控制技术。基于系统动量守恒原理、反作用零空间理论(RNS)和递推最小二乘(RLS)自适应滤波方法设计了双臂空间机器人的自适应基座姿态无扰控制方法,该方法可以在系统初始角动量和目标动力学参数未知的情况下通过控制抓捕臂和辅助臂的运动实现基座姿态无扰。由于在控制过程中抓捕臂需要进行大范围运动所以可以利用该阶段的测量数据完成对目标动力学参数的辨识。第三,提出了一种后捕获段目标停泊轨迹规划方法和一种分布式动量控制方法。利用参数为五次多项式的正弦函数对抓捕臂的关节运动轨迹进行参数化处理,根据抓捕臂各关节的起始和终端约束以及关节最大运动范围确定关节轨迹函数的各个参数,从而得到目标停泊轨迹的解析解,该方法可以实现目标停泊轨迹的在线实时规划。分布式动量控制方法是利用系统角动量守恒原理通过控制辅助臂的运动使系统状态处于预先设计的滑模面上,从而同时实现基座姿态的重新定向和稳定控制。第四,研究了后捕获段的目标动力学参数在线辨识方法。该方法基于动量守恒方程的增量形式表达式建立目标动力学参数辨识的线性回归模型,并利用基座姿态无扰控制过程中的测量数据构造以目标动力学参数为未知量的线性回归方程组,采用基于QR分解的RLS算法(QRD-RLS)计算目标动力学参数的估计值;此外,本文还提出了一种优化参数辨识激励轨迹的方法,通过将满足持续激励(PE)条件的参数辨识激励输入映射到空间机器人耦合惯性矩阵的零空间上,既满足了参数辨识所需的PE条件,又不影响空间机器人基座姿态的无扰控制效果。

关键词：自由漂浮双臂空间机器人翻滚目标捕获后控制动力学参数辨识