[發明專利]一種空間機械臂基座零擾動優化控制方法

有效

• 申請號: 201410195890.6
• 申請日: 2014-05-09
• 公開（公告）號: CN103984230B
• 公開（公告）日: 2018-02-13
• 發明（設計）人: 張強;紀路;周東生;魏小鵬
• 申請（專利權）人: 大連大學
• 主分類號: G05B13/00
• 分類號: G05B13/00
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司21212
• 代理人: 姜玉蓉,李洪福

技術領域

本發明涉及一種空間機械臂基座零擾動優化控制方法。

背景技術

為了使太空探索更具有高效性，近幾年來研究人員不斷的對空間機械臂技術問題進行研究，隨著研究的深入，空間機械的主要研究熱點和難點也逐漸清楚。根據動量守恒定律，空間機械臂在運動的過程中不可避免的會使裝載它的人造衛星發生姿態和位置的改變。一般情況下，傳統的方法是使用互相正交的飛輪、力平衡陀螺儀或者磁力矩器，甚至推進器來平衡這些擾動，不過這不僅增加了空間機器人的制造難度還耗費了空間機器人能夠攜帶的有限的燃料。在這種前提下，研究基座最小擾動空間機械臂運動規劃有其工程上的實際意義。

相關的國內外研究有：哈爾濱工業大學2008年發表的“The Cartesian Path Planning of Free-Floating Space Robot using Particle Swarm Optimization”和“Non-holonomic Path Planning of a Free-Floating Space Robotic System Using Genetic Algorithms”，日本2001年發表的“Zero reaction maneuver:flight validation with ETS-VII space robot and extension to kinematically redundant arm”但是上述的方法在實際應用過程中具有計算量大，難以實際應用、有一定隨機性的缺點。

發明內容

根據現有技術存在的問題，本發明公開了一種空間機械臂基座零擾動優化控制方法，包括以下步驟：

S1：對空間機械臂建立運動學模型：采用逆運動學螺旋理論建立空間機械臂的運動學方程的廣義雅可比矩陣，將機械臂的運動從笛卡爾空間映射到關節空間；

S2：等效固定基空間機械臂的運動學建模：采用指數坐標系來描繪空間機械臂的運動學特征；

S3：使用七元七次多項式參數化空間機械臂的關節軌跡，采用四元數方程表示空間機械臂的基座姿態，根據空間機械臂基座的位置和姿態建立系統狀態方程；

S4：建立優化算法的目標函數，根據求解系統狀態方程以及對機械臂的關節速度參數和角加速度參數的限定化簡該目標函數；

S5：通過優化算法解決運動規劃問題：采用粒子群優化算法的方法對目標函數進行規劃，求出目標函數中未知數的最優解，將求出的最優解代入使用七元七次多項式參數化空間機械臂的關節軌跡方程，實現對空間機械臂的控制。

進一步的，所述優化算法的目標函數為：

其中：δq_b、δp_b、分別是空間機械臂的基座姿態的四元數誤差參數、基座的位置誤差參數、關節速度參數和角加速度參數，上述這四個參數均為待優化參數a的函數，K_q、K_p、由精度要求所決定，并且

進一步的，采用多粒子群優化算法的方法對目標函數進行規劃時包括以下步驟：

步驟1：反復計算目標函數初始化全部的子種群，基于目標函數的值對全部的粒子進行重新排序，選擇前N個子粒初始化精英種群，評估精英種群選出精英粒子；

步驟2：分發精英粒子到每一個子種群，在分發過程中，精英粒子的速度由以下公式確定：

其中：c₁、c₂、c₃為學習因子，為第i個粒子在k時刻的位置，p_{best_i}、g_best、e分別為第i個粒子的歷史最佳位置、種群最佳位置和精英粒子位置，上角標k均表示k時刻；

步驟3：獨立從各個種群中選出最優粒子取代精英種群中最差的粒子，當吸收了由普通種群貢獻的精英粒子之后，精英種群進行一代繁殖；

其中δ為變異因子，由下式決定：

其中ε是誤差的邊界值；

步驟4：選出精英種群的最優粒子，判斷是否滿足收斂條件，如果不滿足則返回步驟3，滿足進入如下的步驟5；

步驟5：算法結束，輸出結果。