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基于避障伪距离的自由漂浮空间机器人规划-跟踪一体化控制

更新时间：2020-01-03 15:34:15 大小：2M 上传用户：IC老兵查看TA发布的资源 标签：机器人 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

针对自由漂浮空间机器人(Free Floating Space Robot,FFSR)的避障规划与控制问题,提出一种FFSR的避障规划-跟踪一体化控制方法。首先,基于障碍物伪距离技术,采用FFSR逆几何模型求解期望末端位姿下的连杆伪距离估计值,进而通过求解非线性优化问题,获得FFSR避障期望轨迹。其次,将全局轨迹规划与局部在线避障相结合,辅以离散状态黎卡提方程(DSDRE)控制方法实现FFSR的避障规划-跟踪一体化控制。最后,采用6R空间机器人模型验证了所提方法的有效性。仿真结果表明,该方法能够实现FFSR的避障控制,有效克服了传统FFSR控制中末端轨迹规划与控制相分离的问题,提高了FFSR的环境适应性。


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39  
2
期
宇 航 学 报  
Vol． 39  
第
卷 第  
No． 2  
2018  
2
Journal of Astronautics  
February  
2018  
年
月
基于避障伪距离的自由漂浮空间  
-
机器人规划 跟踪一体化控制  
1，2  
3
1
2
，
， ，  
张国良 田 琦 王保明  
羊 帆  
( 1．  
，
火箭军工程大学 西安  
710025; 2．  
，
宝鸡市高新技术研究所 宝鸡  
721000; 3． ， 610225)  
成都信息工程大学 成都  
:
( Free Floating Space Robot，FFSR)  
，
的避障规划与控制问题 提出一种  
FFSR  
摘
要
针对自由漂浮空间机器人  
- 。 ， ，  
的避障规划 跟踪一体化控制方法 首先 基于障碍物伪距离技术 采用  
FFSR  
逆几何模型求解期望末端位姿下的  
， ，  
连杆伪距离估计值 进而通过求解非线性优化问题 获得  
FFSR  
。 ，  
避障期望轨迹 其次 将全局轨迹规划与局部在线  
，
( DSDRE)  
FFSR 6R  
-
。
，
避障相结合 辅以离散状态黎卡提方程  
空间机器人模型验证了所提方法的有效性 仿真结果表明 该方法能够实现  
FFSR FFSR  
控制方法实现  
的避障规划 跟踪一体化控制 最后 采用  
。
，
FFSR  
，
的避障控制 有效克服了传统  
，
。
控制中末端轨迹规划与控制相分离的问题 提高了  
的环境适应性  
关键词 空间机器人 一体化控制 避障规划 离散状态黎卡提方程  
: TP242 : A : 1000-1328( 2018) 02-0229-10  
:
;
;
;
中图分类号  
文献标识码  
文章编号  
DOI: 10． 3873 /j． issn． 1000-1328． 2018． 02． 014  
Trajectory Planning-tracking Integrated Control for A 6R Free-Floating  
Space Robot via Obstacle Avoidance Pseudo-distance  
1，2  
3
1
2
YANG Fan ，ZHANG Guo-liang ，TIAN Qi ，WANG Bao-min  
( 1． Rocket Force University of Engineering，Xi’an 710025，China;  
2． Baoji High and New Technology Institute，Baoji 721000，China;  
3． Chengdu University of Information Technology，Chengdu 610225，China)  
Abstract: Focusing on the obstacle avoidance planning and control problem of a free floating space robot ( FFSR) ，an  
FFSR obstacle avoidance planning-tracking integrated control method is proposed． Firstly，based on the obstacle pseudo-  
distance technique，the FFSR inverse geometric model is used to solve the pseudo-distance estimation at the desired  
position and attitude of the FFSR’s effector． Then，the FFSR obstacle avoidance trajectory is obtained by solving the  
nonlinear optimization problem． Secondly，based on discrete state dependent Riccati equation ( DSDRE) control method，  
the FFSR obstacle avoidance planning-tracking integration control can be achieved by the combination of the global  
trajectory planning and the local online obstacle avoidance． Finally，the effectiveness of the proposed method is verified by  
the 6R space robot model． The simulation results show that the obstacle avoidance control of FFSR can be realized by the  
proposed method，which can effectively overcome the problem of the separation of the trajectory planning and control in the  
traditional FFSR control and improve the environmental adaptability of the FFSR．  
Key words: Space robot; Integrated control; Obstacle avoidance planning; Discrete state dependent Riccati equation  
( DSDRE)  
，
器人代替人类完成相关在轨服务任务 成为目前空  
0
引
言
。
间技术研究的方向之一 自由漂浮空间机器人  
，
伴随着人类探索太空进程的加快 利用空间机  
( Free-Floating Space Robot，FFSR)  
由于其不需消耗  
: 2017-09-11;  
: 2017-11-20  
修回日期  
收稿日期  
230  
39  
卷
宇航学报  
第
，
额外能量稳定基座位姿 具有较好的长期在轨服务  
，
可能存在的避障需求 在工程上这一思路无法有  
［1 － 2］  
，
能力 成为目前空间机器人研究的主要对象  
。
FFSR  
效实现  
。 ，  
的运动控制 最后 少数如文献  
［8］  
，
提出的避障控制方法 也存在避障约束构造困难  
，FFSR  
不同于地面机械臂系统  
特有的漂浮基  
。
等问题  
。 ，  
座特性使其规划和控制问题更为复杂 为此 一些  
，
为此 针对  
FFSR ，  
的避障规划与控制问题 本文  
。
学者开展了相关研究并取得了丰硕的研究成果  
在
FFSR  
－
的避障规划 跟踪一体化控制方  
提出一种  
， ［3］ FFSR  
控制问题的研究上 文献 在对 运动学模型  
［23］  
。
，
首先 基于障碍物伪距离技术  
， FFSR  
采用  
法
，
分析的基础上 提出了分解速度和加速度控制方法  
。
逆几何模型求解期望末端位姿下的连杆伪距离估计  
［4］ FFSR  
文献 在  
， PD  
动力学建模的基础上 利用 控  
，
值构造避障约束条件 进而通过求解非线性优化问  
FFSR  
。 ［5］  
的计算力矩控制 文献 利用  
制实现了  
FFSR  
，
FFSR  
。 ，  
避障期望轨迹 其次 将全局轨迹规  
题 获得  
划与局部在线避障相结合 辅以离散状态依赖里卡  
( Discrete State Dependent Riccati Equation  
扩展动力学模型提出了规范形式扩展自适应  
，
。
控制方法方法 文献  
［6］ ，  
利用积分降阶技术 将  
提 方 程  
FFSR  
，
动力学方程进行低通滤波 改进了文献  
［5］  
所
DSDRE)  
FFSR  
－
的避障规划 跟踪一  
控制方法实现  
， 。  
提方法 从而避免加速度信号的测量 文献  
［7］  
研
，
体化控制 以克服传统离线规划在跟踪所存在的对  
究了同时存在运动学和动力学参数不确定情况的自  
，
动态障碍 未知障碍避障能力不足等问题  
。
。 ［8］  
适应控制方法 文献 以杆件最近距离为约束条  
，
件 基于  
NMPC  
FFSR  
。
的避障控制方法  
理论提出了  
1
模型与假设  
［9］  
，
此外 一些智能控制方法如神经网络  
、
确定学  
FFSR  
的
［10 － 11］  
［12］  
1． 1  
空间机器人模型  
、
习
模糊控制 被研究者采用以实现  
1) FFSR  
的运动学与动力学模型  
。 ，  
轨迹跟踪控制 另一方面 针对  
FFSR  
的非完整约  
FFSR  
，
一般由基座和机械臂组成 由于基座处于  
，
束以及存在动力学奇异问题 其轨迹规划方法被学  
［13］  
， ， ，  
漂浮状态 系统无外力输入 满足动量守恒 基座运  
，
者所重 视 提 出 了 圆 周 运 动 方 法  
，
双 向 规 划  
［3 － 4］  
［14］  
［15］  
。
动与机械臂运动相耦合  
， 。  
增强干扰图 等经典方法 在这些方法基  
法
典型的空间机器人运动学和动力学模型为  
， ［16］  
础上 文献 利用  
PSO  
FFSR  
优化实现了 在抓取  
·
，
后基座 姿 态 的稳定 进一 步 在 文 献  
［17］  
提 出 了  
·
¨
H( q) q + L( q，q) q =  
τ
( 1)  
FFSR  
。 ［18］  
的自主路径规划方法 文献 提出了笛卡  
{
表示基座的位姿向量  
·
· ·  
*
y
= J ( q，q) q  
e
m
FFSR  
。
点到点运动的规划方法 文献  
［19］  
尔空间下  
T
T
T
6 ×1  
，q = ［q ，q ］ ，  
b m  
。q R  
∈
b
其中  
为系统广义关节角  
提出了一种最小姿态干扰的目标接触轨迹规划方  
n×1  
; q  
R
;
∈
为关节角向量  
m
。
［20］ ，  
文献 基于人工势场法 对地面机械臂避障  
法
·
H( q)  
; L( q，q)  
为系统的科氏与离  
为系统惯性矩阵  
FFSR  
。
文
规划方法进行扩展用于  
的末端避障规划  
·
T
;
心力矩阵 τ  
=［0， ］  
τ
m
。y  
为末端位  
e
为控制力矩  
［21］  
献 提出了一种针对滚动目标的避碰规划方法  
，
*
; J  
”。  
姿速度  
为系统广义雅克比矩阵  
FFSR  
。
实现了对滚动目标的末端同步接近规划 文献  
考虑到  
系统由基座和机械臂两部分组  
［22］  
将多项式插值与  
PSO  
方法相结合提出了一种  
，
成 系统惯性矩阵  
H( q)  
和科氏力与离心力矩阵  
FFSR  
，
关节空间下的非完整路径规划方法 从而保证  
·
L( q，q)  
:
可分解为  
。
关节轨迹的连续平滑  
虽然上述规划和控制方法的研究初步解决了  
FFSR  
H
H
L
L
bb  
bm  
bb  
bm  
H =  
，L =  
[
]
[
]
H
H
L
L
，
。
首
mb  
mm  
mb  
mm  
运动控制问题 但是依然存在一些不足  
，H ，L  
bb  
其中  
为基座的惯性矩阵及相应的科氏与  
，
，
，FFSR  
先 在规划方法上 多考虑在非完整约束下  
机械臂运动与基座姿态的相互关系以及动力学奇异  
FFSR  
的
bb  
; H ，L  
bm  
离心力矩阵  
为基座与机械臂之间的耦合  
bm  
T
，
惯性矩阵及科氏离心力矩阵 满足  
H
= H ，L  
mb  
，
。
运动过程中的避障问题  
回避问题 未考虑  
bm  
bm  
T
， ， —  
其次 在运动控制上 基本遵循离线规划 轨迹跟  
= L ; H ，L  
mb mm  
为机械臂的惯性矩阵及相应的科氏  
mm  
， ，  
踪思想 但是由于传感器探测距离 目标移动以及  
。
与离心力矩阵  

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