空间机器人捕获动力学与控制

目录

前言

第1章 绪论 1

1.1 研究目的和意义 1

1.2 发展历程和研究动态 2

1.3 典型的空间机器人研究计划 5

1.3.1 美国空间机器人计划 5

1.3.2 加拿大空间机器人计划 9

1.3.3 欧洲空间机器人计划 10

1.3.4 日本空间机器人计划 12

1.3.5 我国空间机器人计划 15

1.4 本书主要内容 15

参考文献 17

第2章 空间机器人动力学建模 25

2.1 引言 25

2.2 空间机器人系统描述 26

2.3 单体动力学方程 28

2.4 系统运动学方程 31

2.5 系统动力学方程 36

2.6 数值仿真 37

2.6.1 刚性空间机器人 37

2.6.2 柔性空间机器人 40

2.7 本章小结 45

参考文献 46

第3章 基于点云技术的空间非合作目标智能识别 51

3.1 引言 51

3.2 点云分割识别算法比较 53

3.2.1 PointNet 算法和 PointNet++ 算法 53

3.2.2 SPLATNet 算法 55

3.2.3 SO-Net 算法 56

3.2.4 算法比较 57

3.3 点云数据集的构建 58

3.3.1 卫星完整点云数据集的构建 60

3.3.2 卫星非完整点云数据集的构建 62

3.4 各点云算法的性能分析 64

3.4.1 分割准确率 64

3.4.2 分割实际效果 65

3.5 本章小结 67

参考文献 67

第4章 空间非合作目标运动观测技术 70

4.1 引言 70

4.2 基于灰度图像的运动观测技术 72

4.2.1 直接法的基本原理 72

4.2.2 LSD-SLAM 方法的基本原理 75

4.2.3 数值仿真 77

4.3 基于深度图像的运动观测技术 84

4.3.1 坐标系的定义和相对位姿参数 84

4.3.2 位姿估计方案 86

4.3.3 数值仿真 90

4.4 本章小结 98

参考文献 98

第5章 空间非合作目标运动预测技术 101

5.1 引言 101

5.2 运动预测的基本假设及基本理论 105

5.2.1 目标卫星的质心运动方程 105

5.2.2 目标卫星的姿态运动方程 106

5.3 动力学参数的估计 107

5.3.1 UKF 107

5.3.2 观测数据中噪声标准差的估计方法 111

5.3.3 *优化方法提高 xrot 和 xtran 的估计精度 112

5.4 数值仿真 113

5.4.1 收敛准则 114

5.4.2 仿真结果 118

5.5 本章小结 123

参考文献 123

第6章 空间非合作目标近距离交会技术 127

6.1 引言 127

6.2 动力学模型 133

6.2.1 质心运动微分方程 133

6.2.2 姿态运动微分方程 134

6.3 非奇异终端滑模控制器的设计 135

6.4 基于非线性干扰观测器的自适应滑模控制方法 138

6.4.1 自适应滑模控制方法 138

6.4.2 ASM 位姿运动跟踪控制器 140

6.4.3 对 ASM 控制器的改良 141

6.5 期望位姿运动的规划 142

6.5.1 期望质心运动的规划 142

6.5.2 期望姿态运动的规划 145

6.6 改进的运动规划 147

6.6.1 临界阻尼弹簧振子的自由运动规律 147

6.6.2 改进后期望质心运动的规划 149

6.6.3 改进后期望姿态运动的规划 150

6.7 数值仿真 150

6.7.1 不受控翻滚目标的情形 152

6.7.2 受控翻滚目标的情形 158

6.7.3 改进后的运动规划方法 161

6.7.4 对三种位姿跟踪控制算法的比较 162

6.7.5 Monte Carlo 仿真 167

6.8 本章小结 171

参考文献 171

第7章 空间大质量非合作目标姿态演化机理 176

7.1 引言 176

7.2 航天器的运动方程及无量纲化 176

7.2.1 模型描述 177

7.2.2 航天器的运动方程 178

7.2.3 运动方程的无量纲化 179

7.3 Melnikov 方法的应用 181

7.3.1 无扰系统的相空间 181

7.3.2 Melnikov 判据 182

7.4 数值仿真 184

7.4.1 航天器系统的演化轨迹类型 184

7.4.2 参数子空间中 Melnikov 判据分析 186

7.4.3 Melnikov 方程的解析和数值结果比较 189

7.5 本章小结 190

参考文献 191

第8章 空间大质量非合作目标抓捕前主动消旋策略 1 193

8.1 引言 193

8.2 消旋系统的动力学建模 194

8.2.1 模型描述 194

8.2.2 能量耗散航天器的姿态演化 196

8.2.3 消旋系统的动力学模型 198

8.3 消旋系统的接触模型 200

8.3.1 接触检测 200

8.3.2 Hertz 接触理论 202

8.4 数值仿真 203

8.4.1 空间目标的姿态演化仿真 203

8.4.2 空间目标的消旋仿真 206

8.4.3 不同运动参数对消旋效果的影响 206

8.5 本章小结 208

参考文献 208

第9章 空间大质量非合作目标抓捕前主动消旋策略 2 210

9.1 引言 210

9.2 对心接触保持控制器 211

9.3 消旋操作接触保持控制策略 214

9.4 数值仿真 216

9.4.1 过阻尼控制方法有效性评估 217

9.4.2 消旋操作接触保持策略有效性评估 218

9.4.3 控制阻尼对控制性能的影响 228

9.5 本章小结 230

参考文献 230

第10章 空间机器人无扰路径规划控制技术 235

10.1 引言 235

10.2 双臂空间机器人的结构描述 236

10.3 双臂空间机器人的动力学建模 237

10.3.1 动力学方程 237

10.3.2 逆运动学问题 238

10.3.3 正–逆混合动力学方程 240

10.3.4 相对姿态的描述方法 242

10.4 基座姿态无扰的路径规划与控制 243

10.4.1 无扰路径规划问题描述 244

10.4.2 粒子群优化方法 246

10.4.3 跟踪控制器设计 247

10.4.4 双臂非同步启动时的问题描述 247

10.5 数值仿真 248

10.5.1 工况 1：对称初始构型且同步启动 249

10.5.2 工况 2：非对称初始构型且同步启动 252

10.5.3 工况 3：对称初始构型且不同步启动 256

10.5.4 工况 4：非对称初始构型且不同步启动 259

10.6 本章小结 262

参考文献 262

第11章 空间非合作目标抓捕策略 1 264

11.1 引言 264

11.2 空间机器人描述 265

11.2.1 刚性空间机器人 265

11.2.2 柔性空间机器人 266

11.2.3 系统动力学方程 266

11.3 碰撞检测 267

11.3.1 圆柱与立方体 267

11.3.2 圆柱与圆柱 268

11.4 数值仿真 270

11.4.1 刚性空间机器人抓捕 270

11.4.2 柔性空间机器人抓捕 279

11.5 本章小结 287

参考文献 287

第12章 空间非合作目标抓捕策略 2 289

12.1 引言 289

12.2 弹簧阻尼器对对心碰撞的影响 291

12.3 抓捕控制策略 295

12.4 数值仿真 299

12.5 本章小结 304

参考文献 304

第13章 空间非合作目标惯性参数辨识技术 309

13.1 引言 309

13.2 动力学模型 310

13.3 粗估计 311

13.4 精估计 314

13.5 数值仿真 315

13.5.1 粗估计 315

13.5.2 精估计 318

13.6 本章小结 320

参考文献 320

第14章 空间非合作目标抓捕后阶段主动消旋策略 1 322

14.1 引言 322

14.2 动力学建模 323

14.2.1 模型描述 323

14.2.2 空间机器人和非合作目标的动力学模型 325

14.2.3 组合系统的动力学方程 326

14.3 消旋轨迹优化 329

14.3.1 非合作目标的消旋轨迹参数化 329

14.3.2 MOPSO 算法 332

14.4 协同控制 335

14.4.1 组合系统动力学方程的变换 335

14.4.2 协调控制器设计 337

14.5 数值仿真 339

14.5.1 组合系统的动力学参数和初始状态 339

14.5.2 基于 MOPSO 算法的消旋轨迹优化 342

14.5.3 协同控制仿真 346

14.6 本章小结 351

参考文献 352

第15章 空间非合作目标抓捕后阶段主动消旋策略 2 354

15.1 引言 354

15.2 动力学建模与轨迹规划 355

15.3 复合控制 358

15.3.1 轨迹追踪控制器 358

15.3.2 振动抑制控制器 359

15.4 数值仿真 361

15.4.1 组合系统的参数设置和轨迹规划 361

15.4.2 不考虑参数估计误差的消旋方案验证 363

15.4.3 考虑参数估计误差的消旋方案验证 367

15.5 本章小结 371

参考文献 371

第16章 空间机器人关节柔性和关节摩擦建模问题 375

16.1 引言 375

16.2 关节柔性 376

16.2.1 考虑柔性的关节建模 376

16.2.2 关节柔性对系统动力学方程的贡献 378

16.3 关节摩擦 379

16.3.1 关节摩擦模型 379

16.3.2 关节摩擦对系统动力学方程的贡献 382

16.4 系统动力学方程 387

16.5 数值仿真 389

16.5.1 刚性臂空间机器人 389

16.5.2 柔性臂空间机器人 396

16.6 本章小结 408

参考文献 408

第17章 空间机器人容错控制问题 410