空間機器人捕獲動力學與控制

目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 研究目的和意義 1
1.2 發(fā)展歷程和研究動態(tài) 2
1.3 典型的空間機器人研究計劃 5
1.3.1 美國空間機器人計劃 5
1.3.2 加拿大空間機器人計劃 9
1.3.3 歐洲空間機器人計劃 10
1.3.4 日本空間機器人計劃 12
1.3.5 我國空間機器人計劃 15
1.4 本書主要內(nèi)容 15
參考文獻 17
第2章 空間機器人動力學建模 25
2.1 引言 25
2.2 空間機器人系統(tǒng)描述 26
2.3 單體動力學方程 28
2.4 系統(tǒng)運動學方程 31
2.5 系統(tǒng)動力學方程 36
2.6 數(shù)值仿真 37
2.6.1 剛性空間機器人 37
2.6.2 柔性空間機器人 40
2.7 本章小結(jié) 45
參考文獻 46
第3章 基于點云技術(shù)的空間非合作目標智能識別 51
3.1 引言 51
3.2 點云分割識別算法比較 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 算法比較 57
3.3 點云數(shù)據(jù)集的構(gòu)建 58
3.3.1 衛(wèi)星完整點云數(shù)據(jù)集的構(gòu)建 60
3.3.2 衛(wèi)星非完整點云數(shù)據(jù)集的構(gòu)建 62
3.4 各點云算法的性能分析 64
3.4.1 分割準確率 64
3.4.2 分割實際效果 65
3.5 本章小結(jié) 67
參考文獻 67
第4章 空間非合作目標運動觀測技術(shù) 70
4.1 引言 70
4.2 基于灰度圖像的運動觀測技術(shù) 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 數(shù)值仿真 77
4.3 基于深度圖像的運動觀測技術(shù) 84
4.3.1 坐標系的定義和相對位姿參數(shù) 84
4.3.2 位姿估計方案 86
4.3.3 數(shù)值仿真 90
4.4 本章小結(jié) 98
參考文獻 98
第5章 空間非合作目標運動預測技術(shù) 101
5.1 引言 101
5.2 運動預測的基本假設(shè)及基本理論 105
5.2.1 目標衛(wèi)星的質(zhì)心運動方程 105
5.2.2 目標衛(wèi)星的姿態(tài)運動方程 106
5.3 動力學參數(shù)的估計 107
5.3.1 UKF 107
5.3.2 觀測數(shù)據(jù)中噪聲標準差的估計方法 111
5.3.3 *優(yōu)化方法提高 xrot 和 xtran 的估計精度 112
5.4 數(shù)值仿真 113
5.4.1 收斂準則 114
5.4.2 仿真結(jié)果 118
5.5 本章小結(jié) 123
參考文獻 123
第6章 空間非合作目標近距離交會技術(shù) 127
6.1 引言 127
6.2 動力學模型 133
6.2.1 質(zhì)心運動微分方程 133
6.2.2 姿態(tài)運動微分方程 134
6.3 非奇異終端滑模控制器的設(shè)計 135
6.4 基于非線性干擾觀測器的自適應滑?？刂品椒?138
6.4.1 自適應滑模控制方法 138
6.4.2 ASM 位姿運動跟蹤控制器 140
6.4.3 對 ASM 控制器的改良 141
6.5 期望位姿運動的規(guī)劃 142
6.5.1 期望質(zhì)心運動的規(guī)劃 142
6.5.2 期望姿態(tài)運動的規(guī)劃 145
6.6 改進的運動規(guī)劃 147
6.6.1 臨界阻尼彈簧振子的自由運動規(guī)律 147
6.6.2 改進后期望質(zhì)心運動的規(guī)劃 149
6.6.3 改進后期望姿態(tài)運動的規(guī)劃 150
6.7 數(shù)值仿真 150
6.7.1 不受控翻滾目標的情形 152
6.7.2 受控翻滾目標的情形 158
6.7.3 改進后的運動規(guī)劃方法 161
6.7.4 對三種位姿跟蹤控制算法的比較 162
6.7.5 Monte Carlo 仿真 167
6.8 本章小結(jié) 171
參考文獻 171
第7章 空間大質(zhì)量非合作目標姿態(tài)演化機理 176
7.1 引言 176
7.2 航天器的運動方程及無量綱化 176
7.2.1 模型描述 177
7.2.2 航天器的運動方程 178
7.2.3 運動方程的無量綱化 179
7.3 Melnikov 方法的應用 181
7.3.1 無擾系統(tǒng)的相空間 181
7.3.2 Melnikov 判據(jù) 182
7.4 數(shù)值仿真 184
7.4.1 航天器系統(tǒng)的演化軌跡類型 184
7.4.2 參數(shù)子空間中 Melnikov 判據(jù)分析 186
7.4.3 Melnikov 方程的解析和數(shù)值結(jié)果比較 189
7.5 本章小結(jié) 190
參考文獻 191
第8章 空間大質(zhì)量非合作目標抓捕前主動消旋策略 1 193
8.1 引言 193
8.2 消旋系統(tǒng)的動力學建模 194
8.2.1 模型描述 194
8.2.2 能量耗散航天器的姿態(tài)演化 196
8.2.3 消旋系統(tǒng)的動力學模型 198
8.3 消旋系統(tǒng)的接觸模型 200
8.3.1 接觸檢測 200
8.3.2 Hertz 接觸理論 202
8.4 數(shù)值仿真 203
8.4.1 空間目標的姿態(tài)演化仿真 203
8.4.2 空間目標的消旋仿真 206
8.4.3 不同運動參數(shù)對消旋效果的影響 206
8.5 本章小結(jié) 208
參考文獻 208
第9章 空間大質(zhì)量非合作目標抓捕前主動消旋策略 2 210
9.1 引言 210
9.2 對心接觸保持控制器 211
9.3 消旋操作接觸保持控制策略 214
9.4 數(shù)值仿真 216
9.4.1 過阻尼控制方法有效性評估 217
9.4.2 消旋操作接觸保持策略有效性評估 218
9.4.3 控制阻尼對控制性能的影響 228
9.5 本章小結(jié) 230
參考文獻 230
第10章 空間機器人無擾路徑規(guī)劃控制技術(shù) 235
10.1 引言 235
10.2 雙臂空間機器人的結(jié)構(gòu)描述 236
10.3 雙臂空間機器人的動力學建模 237
10.3.1 動力學方程 237
10.3.2 逆運動學問題 238
10.3.3 正–逆混合動力學方程 240
10.3.4 相對姿態(tài)的描述方法 242
10.4 基座姿態(tài)無擾的路徑規(guī)劃與控制 243
10.4.1 無擾路徑規(guī)劃問題描述 244
10.4.2 粒子群優(yōu)化方法 246
10.4.3 跟蹤控制器設(shè)計 247
10.4.4 雙臂非同步啟動時的問題描述 247
10.5 數(shù)值仿真 248
10.5.1 工況 1：對稱初始構(gòu)型且同步啟動 249
10.5.2 工況 2：非對稱初始構(gòu)型且同步啟動 252
10.5.3 工況 3：對稱初始構(gòu)型且不同步啟動 256
10.5.4 工況 4：非對稱初始構(gòu)型且不同步啟動 259
10.6 本章小結(jié) 262
參考文獻 262
第11章 空間非合作目標抓捕策略 1 264
11.1 引言 264
11.2 空間機器人描述 265
11.2.1 剛性空間機器人 265
11.2.2 柔性空間機器人 266
11.2.3 系統(tǒng)動力學方程 266
11.3 碰撞檢測 267
11.3.1 圓柱與立方體 267
11.3.2 圓柱與圓柱 268
11.4 數(shù)值仿真 270
11.4.1 剛性空間機器人抓捕 270
11.4.2 柔性空間機器人抓捕 279
11.5 本章小結(jié) 287
參考文獻 287
第12章 空間非合作目標抓捕策略 2 289
12.1 引言 289
12.2 彈簧阻尼器對對心碰撞的影響 291
12.3 抓捕控制策略 295
12.4 數(shù)值仿真 299
12.5 本章小結(jié) 304
參考文獻 304
第13章 空間非合作目標慣性參數(shù)辨識技術(shù) 309
13.1 引言 309
13.2 動力學模型 310
13.3 粗估計 311
13.4 精估計 314
13.5 數(shù)值仿真 315
13.5.1 粗估計 315
13.5.2 精估計 318
13.6 本章小結(jié) 320
參考文獻 320
第14章 空間非合作目標抓捕后階段主動消旋策略 1 322
14.1 引言 322
14.2 動力學建模 323
14.2.1 模型描述 323
14.2.2 空間機器人和非合作目標的動力學模型 325
14.2.3 組合系統(tǒng)的動力學方程 326
14.3 消旋軌跡優(yōu)化 329
14.3.1 非合作目標的消旋軌跡參數(shù)化 329
14.3.2 MOPSO 算法 332
14.4 協(xié)同控制 335
14.4.1 組合系統(tǒng)動力學方程的變換 335
14.4.2 協(xié)調(diào)控制器設(shè)計 337
14.5 數(shù)值仿真 339
14.5.1 組合系統(tǒng)的動力學參數(shù)和初始狀態(tài) 339
14.5.2 基于 MOPSO 算法的消旋軌跡優(yōu)化 342
14.5.3 協(xié)同控制仿真 346
14.6 本章小結(jié) 351
參考文獻 352
第15章 空間非合作目標抓捕后階段主動消旋策略 2 354
15.1 引言 354
15.2 動力學建模與軌跡規(guī)劃 355
15.3 復合控制 358
15.3.1 軌跡追蹤控制器 358
15.3.2 振動抑制控制器 359
15.4 數(shù)值仿真 361
15.4.1 組合系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置和軌跡規(guī)劃 361
15.4.2 不考慮參數(shù)估計誤差的消旋方案驗證 363
15.4.3 考慮參數(shù)估計誤差的消旋方案驗證 367
15.5 本章小結(jié) 371
參考文獻 371
第16章 空間機器人關(guān)節(jié)柔性和關(guān)節(jié)摩擦建模問題 375
16.1 引言 375
16.2 關(guān)節(jié)柔性 376
16.2.1 考慮柔性的關(guān)節(jié)建模 376
16.2.2 關(guān)節(jié)柔性對系統(tǒng)動力學方程的貢獻 378
16.3 關(guān)節(jié)摩擦 379
16.3.1 關(guān)節(jié)摩擦模型 379
16.3.2 關(guān)節(jié)摩擦對系統(tǒng)動力學方程的貢獻 382
16.4 系統(tǒng)動力學方程 387
16.5 數(shù)值仿真 389
16.5.1 剛性臂空間機器人 389
16.5.2 柔性臂空間機器人 396
16.6 本章小結(jié) 408
參考文獻 408
第17章 空間機器人容錯控制問題 410