基于机械臂运动的航天器质量特性辨识与控制研究

发布时间：2017-08-10 14:10

  本文关键词：基于机械臂运动的航天器质量特性辨识与控制研究

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【摘要】：随着空间自主在轨服务技术的发展,在轨服务航天器已经成为航天器种类中一个重要分支。在轨服务航天器由于其任务的特殊性,使得其质量特性也不再维持在某一稳定的范围,从而影响到在轨服务航天器的姿态及轨道控制,影响原有任务的完成精度和质量。本文以某一在轨服务航天器为背景,以机械臂为激励,建立了航天器本体的质量特性参数辨识模型,实现了质量特性参数的在线辨识,并以此为基础设计滑模控制器,实现了航天器姿态控制。首先针对背景建立了相关坐标系,主要包括轨道坐标系和航天器本体参考坐标系。基于机械臂的运动,以航天器系统的动量守恒为基本原理,建立了航天器本体的质量特性参数辨识模型。为了求解的需要,参考机械臂的相关知识,给出了机械臂的质量特性参数求解方法。为了证明辨识模型的可行性,给出了辨识模型的可辨识性和可辨识度分析。通过在ADAMS软件中建立系统的动力学模型,结合数值仿真验证了模型的可辨识性和可辨识度,以及给出通过最小二乘算法求解的质量特性参数辨识结果。针对辨识结果精度不够高的情况,通过差分进化算法的介绍,结合前面给出的辨识模型,设计了采用差分进化算法时质量特性辨识的评价函数。并结合数值仿真实验分析了算法的主要控制参数对算法效率的影响,选择了一组符合本文场景的控制参数。之后,基于差分进化算法辨识了质量特性参数,通过与粒子群算法的对比,仿真验证了差分进化算法在收敛速率及精度上都要优于粒子群算法。考虑到航天器辨识的主要目的是为了航天器的位姿控制,设计了基于递推最小二乘算法的航天器质量特性参数在线辨识的模型,并在此基础上进行了滑模控制器设计。通过数值仿真实验的形式,得到了在线辨识结果以及较高精度的姿态控制结果。
【关键词】：质量特性辨识 机械臂 差分进化算法 滑模自适应 在线辨识
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V47
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第1章 绪论8-16
• 1.1 课题背景及研究目的和意义8-9
• 1.2 国内外研究现状及分析9-14
• 1.2.1 辨识方法研究现状9-11
• 1.2.2 航天器系统辨识与控制研究现状11-14
• 1.3 主要研究内容14-16
• 第2章 基于最小二乘算法的航天器质量特性辨识16-38
• 2.1 引言16
• 2.2 坐标系定义及动力学建模16-19
• 2.2.1 坐标系定义16-17
• 2.2.2 动力学建模17-19
• 2.3 航天器质量特性参数辨识19-26
• 2.3.1 质量与质心位置矢量辨识20-22
• 2.3.2 航天器惯性张量辨识22-25
• 2.3.3 机械臂运动学计算25-26
• 2.4 质量特性参数辨识的可辨识分析26-30
• 2.4.1 可辨识性分析26-29
• 2.4.2 可辨识度分析29-30
• 2.5 数值仿真结果及分析30-37
• 2.5.1 仿真参数设置30-34
• 2.5.2 仿真结果分析34-37
• 2.6 本章小结37-38
• 第3章 基于差分进化算法的质量特性辨识38-50
• 3.1 引言38
• 3.2 差分进化算法38-42
• 3.2.1 差分进化算法原理38-41
• 3.2.2 算法的主要参数41-42
• 3.3 航天器质量特性辨识评价函数42-43
• 3.4 仿真分析43-49
• 3.4.1 算法参数选取43-46
• 3.4.2 仿真结果分析46-49
• 3.5 本章小结49-50
• 第4章 基于在线辨识的姿态控制器设计50-61
• 4.1 引言50
• 4.2 航天器系统的动力学模型50-51
• 4.3 滑模自适应控制器设计51-55
• 4.3.1 滑模控制理论51-52
• 4.3.2 控制器设计52-55
• 4.4 航天器质量特性在线辨识55-60
• 4.4.1 递推最小二乘算法55-57
• 4.4.2 仿真结果分析57-60
• 4.5 本章小结60-61
• 结论61-63
• 参考文献63-69
• 致谢69

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本文编号：651117