空間機(jī)器人捕獲動(dòng)力學(xué)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(dòng)態(tài) 2
1.3 典型的空間機(jī)器人研究計(jì)劃 5
1.3.1 美國空間機(jī)器人計(jì)劃 5
1.3.2 加拿大空間機(jī)器人計(jì)劃 9
1.3.3 歐洲空間機(jī)器人計(jì)劃 10
1.3.4 日本空間機(jī)器人計(jì)劃 12
1.3.5 我國空間機(jī)器人計(jì)劃 15
1.4 本書主要內(nèi)容 15
參考文獻(xiàn) 17
第2章 空間機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模 25
2.1 引言 25
2.2 空間機(jī)器人系統(tǒng)描述 26
2.3 單體動(dòng)力學(xué)方程 28
2.4 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程 31
2.5 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程 36
2.6 數(shù)值仿真 37
2.6.1 剛性空間機(jī)器人 37
2.6.2 柔性空間機(jī)器人 40
2.7 本章小結(jié) 45
參考文獻(xiàn) 46
第3章 基于點(diǎn)云技術(shù)的空間非合作目標(biāo)智能識(shí)別 51
3.1 引言 51
3.2 點(diǎn)云分割識(shí)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(diǎn)云數(shù)據(jù)集的構(gòu)建 58
3.3.1 衛(wèi)星完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)集的構(gòu)建 60
3.3.2 衛(wèi)星非完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)集的構(gòu)建 62
3.4 各點(diǎn)云算法的性能分析 64
3.4.1 分割準(zhǔn)確率 64
3.4.2 分割實(shí)際效果 65
3.5 本章小結(jié) 67
參考文獻(xiàn) 67
第4章 空間非合作目標(biāo)運(yùn)動(dòng)觀測技術(shù) 70
4.1 引言 70
4.2 基于灰度圖像的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)觀測技術(shù) 84
4.3.1 坐標(biāo)系的定義和相對位姿參數(shù) 84
4.3.2 位姿估計(jì)方案 86
4.3.3 數(shù)值仿真 90
4.4 本章小結(jié) 98
參考文獻(xiàn) 98
第5章 空間非合作目標(biāo)運(yùn)動(dòng)預(yù)測技術(shù) 101
5.1 引言 101
5.2 運(yùn)動(dòng)預(yù)測的基本假設(shè)及基本理論 105
5.2.1 目標(biāo)衛(wèi)星的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)方程 105
5.2.2 目標(biāo)衛(wèi)星的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)方程 106
5.3 動(dòng)力學(xué)參數(shù)的估計(jì) 107
5.3.1 UKF 107
5.3.2 觀測數(shù)據(jù)中噪聲標(biāo)準(zhǔn)差的估計(jì)方法 111
5.3.3 *優(yōu)化方法提高 xrot 和 xtran 的估計(jì)精度 112
5.4 數(shù)值仿真 113
5.4.1 收斂準(zhǔn)則 114
5.4.2 仿真結(jié)果 118
5.5 本章小結(jié) 123
參考文獻(xiàn) 123
第6章 空間非合作目標(biāo)近距離交會(huì)技術(shù) 127
6.1 引言 127
6.2 動(dòng)力學(xué)模型 133
6.2.1 質(zhì)心運(yùn)動(dòng)微分方程 133
6.2.2 姿態(tài)運(yùn)動(dòng)微分方程 134
6.3 非奇異終端滑?？刂破鞯脑O(shè)計(jì) 135
6.4 基于非線性干擾觀測器的自適應(yīng)滑?？刂品椒?138
6.4.1 自適應(yīng)滑模控制方法 138
6.4.2 ASM 位姿運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)的規(guī)劃 142
6.5.1 期望質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的規(guī)劃 142
6.5.2 期望姿態(tài)運(yùn)動(dòng)的規(guī)劃 145
6.6 改進(jìn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃 147
6.6.1 臨界阻尼彈簧振子的自由運(yùn)動(dòng)規(guī)律 147
6.6.2 改進(jìn)后期望質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的規(guī)劃 149
6.6.3 改進(jìn)后期望姿態(tài)運(yùn)動(dòng)的規(guī)劃 150
6.7 數(shù)值仿真 150
6.7.1 不受控翻滾目標(biāo)的情形 152
6.7.2 受控翻滾目標(biāo)的情形 158
6.7.3 改進(jìn)后的運(yùn)動(dòng)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(xiàn) 171
第7章 空間大質(zhì)量非合作目標(biāo)姿態(tài)演化機(jī)理 176
7.1 引言 176
7.2 航天器的運(yùn)動(dòng)方程及無量綱化 176
7.2.1 模型描述 177
7.2.2 航天器的運(yùn)動(dòng)方程 178
7.2.3 運(yùn)動(dòng)方程的無量綱化 179
7.3 Melnikov 方法的應(yīng)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(xiàn) 191
第8章 空間大質(zhì)量非合作目標(biāo)抓捕前主動(dòng)消旋策略 1 193
8.1 引言 193
8.2 消旋系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)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(dòng)力學(xué)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(biāo)的姿態(tài)演化仿真 203
8.4.2 空間目標(biāo)的消旋仿真 206
8.4.3 不同運(yùn)動(dòng)參數(shù)對消旋效果的影響 206
8.5 本章小結(jié) 208
參考文獻(xiàn) 208
第9章 空間大質(zhì)量非合作目標(biāo)抓捕前主動(dòng)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(xiàn) 230
第10章 空間機(jī)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(jī)器人的結(jié)構(gòu)描述 236
10.3 雙臂空間機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)建模 237
10.3.1 動(dòng)力學(xué)方程 237
10.3.2 逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問題 238
10.3.3 正–逆混合動(dòng)力學(xué)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(jì) 247
10.4.4 雙臂非同步啟動(dòng)時(shí)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(dòng) 249
10.5.2 工況 2：非對稱初始構(gòu)型且同步啟動(dòng) 252
10.5.3 工況 3：對稱初始構(gòu)型且不同步啟動(dòng) 256
10.5.4 工況 4：非對稱初始構(gòu)型且不同步啟動(dòng) 259
10.6 本章小結(jié) 262
參考文獻(xiàn) 262
第11章 空間非合作目標(biāo)抓捕策略 1 264
11.1 引言 264
11.2 空間機(jī)器人描述 265
11.2.1 剛性空間機(jī)器人 265
11.2.2 柔性空間機(jī)器人 266
11.2.3 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)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(jī)器人抓捕 270
11.4.2 柔性空間機(jī)器人抓捕 279
11.5 本章小結(jié) 287
參考文獻(xiàn) 287
第12章 空間非合作目標(biāo)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(xiàn) 304
第13章 空間非合作目標(biāo)慣性參數(shù)辨識(shí)技術(shù) 309
13.1 引言 309
13.2 動(dòng)力學(xué)模型 310
13.3 粗估計(jì) 311
13.4 精估計(jì) 314
13.5 數(shù)值仿真 315
13.5.1 粗估計(jì) 315
13.5.2 精估計(jì) 318
13.6 本章小結(jié) 320
參考文獻(xiàn) 320
第14章 空間非合作目標(biāo)抓捕后階段主動(dòng)消旋策略 1 322
14.1 引言 322
14.2 動(dòng)力學(xué)建模 323
14.2.1 模型描述 323
14.2.2 空間機(jī)器人和非合作目標(biāo)的動(dòng)力學(xué)模型 325
14.2.3 組合系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程 326
14.3 消旋軌跡優(yōu)化 329
14.3.1 非合作目標(biāo)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(dòng)力學(xué)方程的變換 335
14.4.2 協(xié)調(diào)控制器設(shè)計(jì) 337
14.5 數(shù)值仿真 339
14.5.1 組合系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)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(xiàn) 352
第15章 空間非合作目標(biāo)抓捕后階段主動(dòng)消旋策略 2 354
15.1 引言 354
15.2 動(dòng)力學(xué)建模與軌跡規(guī)劃 355
15.3 復(fù)合控制 358
15.3.1 軌跡追蹤控制器 358
15.3.2 振動(dòng)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(jì)誤差的消旋方案驗(yàn)證 363
15.4.3 考慮參數(shù)估計(jì)誤差的消旋方案驗(yàn)證 367
15.5 本章小結(jié) 371
參考文獻(xiàn) 371
第16章 空間機(jī)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(dòng)力學(xué)方程的貢獻(xiàn) 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(dòng)力學(xué)方程的貢獻(xiàn) 382
16.4 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程 387
16.5 數(shù)值仿真 389
16.5.1 剛性臂空間機(jī)器人 389
16.5.2 柔性臂空間機(jī)器人 396
16.6 本章小結(jié) 408
參考文獻(xiàn) 408
第17章 空間機(jī)器人容錯(cuò)控制問題 410