面向在轨维护任务的自由漂浮空间机器人运动规划与控制方法研究

在空间飞行器在轨维护领域，采用自由漂浮空间机器人系统执行在轨维护任务，具有寿命长和安全性好等优势。但由于其具有载体与机械臂动力学耦合、非完整性、动力学奇异性等难点，其运动规划和控制方法还远未达到在轨维护的要求，需进一步深入研究。本课题为实现在轨维护中涉及的目标安全接近、目标捕获的轨迹规划、稳定的轨迹跟踪控制等任务，进行自由漂浮空间机器人运动规划与控制方面研究,包括基于轨道动力学方程，按照无碰并能够安全逃逸原则，研究空间目标最终接近阶段，逼近一类非合作空间目标的安全路径规划问题；研究避动力学奇异的运动规划问题，并为满足系统工作时需保证载体姿态稳定的要求，研究载体姿态无扰动的自由漂浮空间机器人运动规划算法；基于扩展机械臂思想，研究笛卡尔空间内自适应轨迹跟踪控制问题；并发展系统存在外部扰动及时变对象时，自适应鲁棒控制新的理论和方法。本研究将为我国自由飘浮空间机器人在轨维护计划的实施奠定理论基础。

空间机器人系统用于空间飞行器在轨维护领域具有寿命长和安全性好等优势。而自由漂浮空间机器人能否顺利执行在轨维护任务，其运动规划与控制方法研究是重要的基础和需要迫切解决的关键理论与技术问题，因此开展相关方面研究具有重要的理论与实际意义。. 为实现自由漂浮空间机器人在轨维护任务中涉及的目标安全交会接近、目标捕获的轨迹规划、稳定的轨迹跟踪控制等任务，本项目重点研究接近一类非合作空间目标的安全交会路径规划问题、回避动力学奇异的轨迹规划问题、约束基座姿态变化的轨迹规划问题、自适应轨迹跟踪控制与自适应鲁棒轨迹跟踪控制等问题。具体研究成果主要包括以下几个方面：. 针对外层太空环境的自由漂浮空间机器人（追踪卫星）交会路径规划问题，提出轨道坐标系内采用无动力驱动模式接近一类非合作空间目标的交会路径规划方法。该方法能够实现空间机器人系统安全接近该类非合作空间目标，并且有利于安全逃逸。. 针对非完整约束导致的系统广义雅可比矩阵动力学奇异性问题，采用基于运动方程分解的方案，通过构造迭代函数得到一种间接求解逆运动学方法，避免直接求解逆广义雅可比矩阵，将动力学奇异转换为运动学奇异问题，实现自由漂浮空间机器人回避动力学奇异的非完整轨迹规划。. 针对自由漂浮空间机器人系统存在的姿态干扰特性，采用冗余机械臂实现约束基座姿态变化的同时保证末端执行器完成轨迹规划任务，重点对基座姿态零扰动的自由漂浮空间机器人相关运动学基本理论和轨迹规划进行研究。该方法可以仅通过规划机械臂运动，即保证机械臂末端达到目标点又同时确保基座姿态零扰动。. 针对系统惯性参数不确定问题，采用扩展机械臂法并在笛卡尔空间内研究自适应轨迹跟踪问题。在推导系统笛卡尔空间内动力学方程基础上，研究笛卡尔空间复合自适应轨迹跟踪控制问题，设计相应的控制器，分析其稳定性，仿真结果表明这种自适应控制策略都能够保证对末端执行器期望轨迹的稳定渐近跟踪。. 建立了同时考虑机械臂和基座外部干扰的笛卡尔空间自由漂浮空间机器人动力学模型；分析假设外部干扰界形式已知情况下的复合自适应控制器鲁棒性，并对经自适应律修正后的控制器进行鲁棒性分析；研究了外部干扰界形式未知情况下的自适应律修正问题；最后结合滑模控制方法，设计自由漂浮空间机器人自适应滑模控制器，并对其进行鲁棒性分析。