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硕士学位论文


空间机械臂轨迹规划和地面仿真方法研究


RESEARCH ON PATH PLANNING AND GROUND
EXPERIMENT OF SPACE MANIPULATOR



翟彦斌










哈尔滨工业大学
2013 年 6 月
国内图书分类号:TP24 学校代码:10213
国际图书分类号: 密级:公开




工学硕士学位论文


空间机械臂轨迹规划和地面仿真方法研究




硕士研究生:翟彦斌
导师:马广程教授
申请学位:工学硕士
学科:控制科学与工程
所在单位:控制科学与工程系
答辩日期:2013 年 6 月
授予学位单位:哈尔滨工业大学
Classified Index: TP24
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Dissertation for the Master Degree in Engineering


RESEARCH ON PATH PLANNING AND GROUND
EXPERIMENT OF SPACE MANIPULATOR





Candidate: Zhai Yanbin
Supervisor: Prof. Ma Guangcheng
Academic Degree Applied for: Master of Engineering
Speciality: Control Science and Engineering
Affiliation: Dept. of Control Science and
Engineering
Date of Defence: June, 2013
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
摘要
摘要
随着太空活动的日趋频繁,使用空间机械臂代替或者部分代替宇航员进行
太空活动已经是新的发展趋势。在太空中,机械臂的基座处于漂浮状态,机械
臂在工作的过程中会对基座的位置和姿态产生干扰。本文研究空间机械臂的轨
迹规划算法,使机械臂运动对基座姿态产生的扰动最小,为了充分验证算法的
可行性与有效性,选用气浮式地面仿真实验方法,分析了各种干扰对仿真实验
有效性的影响,并研究了仿真系统的组成。
首先,本文介绍了国内外在空间机械臂与其轨迹规划算法方面的研究成果,
以及地面仿真方法的研究现状,并分析了各种地面仿真方法的优缺点。
其次,本文推导了空间机械臂的运动学和动力学方程,建立了机械臂 3 种
工作模式下的运动学模型,通过 Lagrange 方法建立了空间机械臂的动力学模型。
并介绍了本文所要研究的单臂机械臂系统,给出了机械臂动力学参数。
再次,本文研究了自由漂浮和自由飞行状态下的空间机械臂的轨迹规划问
题。首先研究了笛卡尔空间的点到点轨迹规划问题,仿真结果表明算法能够实
现机械臂末端位姿点到点运动,但是机械臂运动会对基座姿态产生较大的扰动。
连续路径跟踪通过广义 Jacobi 矩阵逆的方法实现基座姿态无扰动机械臂末端位
姿跟踪,但是在数值仿真过程中出现了 Jacobi 矩阵奇异问题,限制了此方法的
应用。为了克服上述问题,本文使用正弦函数参数化机械臂关节,选择混沌粒
子群算法作为优化策略,分别实现了自由漂浮状态下基座姿态扰动最小和自由
飞行状态下的基座干扰力矩最小的轨迹优化,并通过数值仿真验证了算法的有
效性。
最后,本文分析比较空间机械臂的各种地面仿真方法后,选用气浮式仿真
方法验证轨迹规划算法,并分析了各种干扰对地面仿真有效性的影响,分析表
明气浮式仿真方法能够有效进行空间机械臂轨迹规划算法的地面实验。本文还
研究了气浮仿真系统的组成,设计了算法实验的方案,为后续的算法实验提供
参考。

关键词:空间机械臂;轨迹规划;混沌粒子群;气浮式仿真方法;有效性分析
- I -
Abstract
Abstract
With the space activities increasing, the use of space manipulators replacing
astronauts to do space activities is the new trend of space explore. In space, due to
the dynamic coupli