[发明专利]一种空间机械臂基座零扰动优化控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种空间机械臂基座零扰动优化控制方法。

背景技术

为了使太空探索更具有高效性，近几年来研究人员不断的对空间机械臂技术问题进行研究，随着研究的深入，空间机械的主要研究热点和难点也逐渐清楚。根据动量守恒定律，空间机械臂在运动的过程中不可避免的会使装载它的人造卫星发生姿态和位置的改变。一般情况下，传统的方法是使用互相正交的飞轮、力平衡陀螺仪或者磁力矩器，甚至推进器来平衡这些扰动，不过这不仅增加了空间机器人的制造难度还耗费了空间机器人能够携带的有限的燃料。在这种前提下，研究基座最小扰动空间机械臂运动规划有其工程上的实际意义。

相关的国内外研究有：哈尔滨工业大学2008年发表的“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年发表的“Zero reaction maneuver:flight validation with ETS-VII space robot and extension to kinematically redundant arm”但是上述的方法在实际应用过程中具有计算量大，难以实际应用、有一定随机性的缺点。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种空间机械臂基座零扰动优化控制方法，包括以下步骤：

S1：对空间机械臂建立运动学模型：采用逆运动学螺旋理论建立空间机械臂的运动学方程的广义雅可比矩阵，将机械臂的运动从笛卡尔空间映射到关节空间；

S2：等效固定基空间机械臂的运动学建模：采用指数坐标系来描绘空间机械臂的运动学特征；

S3：使用七元七次多项式参数化空间机械臂的关节轨迹，采用四元数方程表示空间机械臂的基座姿态，根据空间机械臂基座的位置和姿态建立系统状态方程；

S4：建立优化算法的目标函数，根据求解系统状态方程以及对机械臂的关节速度参数和角加速度参数的限定化简该目标函数；

S5：通过优化算法解决运动规划问题：采用粒子群优化算法的方法对目标函数进行规划，求出目标函数中未知数的最优解，将求出的最优解代入使用七元七次多项式参数化空间机械臂的关节轨迹方程，实现对空间机械臂的控制。

进一步的，所述优化算法的目标函数为：

其中：δq_b、δp_b、分别是空间机械臂的基座姿态的四元数误差参数、基座的位置误差参数、关节速度参数和角加速度参数，上述这四个参数均为待优化参数a的函数，K_q、K_p、由精度要求所决定，并且

进一步的，采用多粒子群优化算法的方法对目标函数进行规划时包括以下步骤：

步骤1：反复计算目标函数初始化全部的子种群，基于目标函数的值对全部的粒子进行重新排序，选择前N个子粒初始化精英种群，评估精英种群选出精英粒子；

步骤2：分发精英粒子到每一个子种群，在分发过程中，精英粒子的速度由以下公式确定：

其中：c₁、c₂、c₃为学习因子，为第i个粒子在k时刻的位置，p_{best_i}、g_best、e分别为第i个粒子的历史最佳位置、种群最佳位置和精英粒子位置，上角标k均表示k时刻；

步骤3：独立从各个种群中选出最优粒子取代精英种群中最差的粒子，当吸收了由普通种群贡献的精英粒子之后，精英种群进行一代繁殖；

其中δ为变异因子，由下式决定：

其中ε是误差的边界值；

步骤4：选出精英种群的最优粒子，判断是否满足收敛条件，如果不满足则返回步骤3，满足进入如下的步骤5；

步骤5：算法结束，输出结果。