[发明专利]一种减少基座姿态扰动的空间机械臂路径规划方法

说明书

技术领域

本发明属于宇航控制领域，更具体地说，涉及空间机械臂的控制技术。

背景技术

空间机器人是目前空间技术发展的热点。各国都在研究空间机器人的在轨服务技术，是因为废弃的卫星不仅成为太空垃圾，而且占用了宝贵的轨道资源。除此之外，利用空间机器人代替宇航员工作，可以避免宇航员受到伤害，还可以提高空间探索的效益。

规划合适的路径，是空间机器人执行在轨服务任务的前提。由于空间机械臂与其基座之间存在动力学耦合，机械臂的运动会对其基座产生干扰，导致基座的位置和姿态发生改变；而基座位置和姿态的改变又反过来影响机械臂末端的位置和姿态。因此，与固定基座的空间机械臂相比，自由漂浮空间机械臂的路径规划更加复杂。

目前，已有许多学者对空间机械臂的姿态稳定问题进行了研究。1991年，M．A Torres 等提出利用增强干扰图( EDM) 方法进行姿态控制，可以有效地减小对基座的姿态干扰，但 EDM的计算需占用的存储空间较大，且效率不高。1991年，C.Fernades等提出了次优路径规划方法，但其调节基座姿态的能力有限。2004年，魏宝刚等利用拟牛顿算法确定最优控制输入信号，可以得到非完整系统的优化轨迹，但是仿真的效果受参数化的时间间隔影响。2006年，P.F Huang提出基于遗传算法的最小基座反作用干扰的最优路径规划方法，可以实现基座姿态的稳定控制，但遗传算法的实现比较复杂。2011年，王永智、史也、王明等分别提出了带有收缩因子的粒子群优化算法、量子粒子群优化算法（QPSO）和混沌粒子群优化算法（CPSO）对关节轨迹进行优化，可以减小基座的姿态改变，但是它们都不是以七自由度的机械臂为对象进行仿真验证。所以本文将粒子群算法与模拟退火算法相结合，对七自由度的自由漂浮空间机械臂进行轨迹规划。

发明内容

本发明的目的在于提出一个有很大实用意义的减少空间机械臂基座姿态扰动的路径规划方法，该方法通过模拟退火-粒子群算法搜索七自由度空间机械臂关节运动的最优轨迹，使机械臂的运动对基座姿态产生的扰动最小，并且通过优化算法来平衡扰动的大小和计算量。

本发明的技术方案是：首先，进行七自由度机械臂几何建模。定义了机械臂连杆的长度、连杆和基座的质量、关节的数量和类型，利用广义雅可比矩阵建立空间机械臂的运动学方程,并且用四元数表示姿态。然后，采用正弦函数五阶多项式对关节函数进行参数化。将约束条件代入关节角、角速度和角加速度的表达式，得到多项式的参数，将其代入关节角、角速度和角加速度的表达式，得到只有一个未知参数的表达式。为了达到基座的姿态恢复到最初的姿态，根据基座的最终姿态与最初姿态之间的相对姿态和精度要求完整地定义出适应度函数。最后，利用模拟退火-粒子群算法搜索空间机械臂关节运动的最优轨迹。

本发明在七自由度空间机械臂路径规划中仅通过规划关节轨迹来保障基座姿态受到的扰动最小；考虑了关节角、角速度和角加速度的限制范围，使算法更具有实用性；利用模拟退火-粒子群算法可以很快地找到最优解，能够有效地避免粒子群算法搜索过程中陷入陷于局部最优点，提高了计算效率和求解精度。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、利用七自由度的冗余特性来稳定空间机械臂基座姿态，将优化算法减为一元优化，节约了大量的计算时间。

2、模拟退火-粒子群算法比遗传算法等容易实现，且计算效率和求解精度比较高。

附图说明

图1为基座姿态变化曲线；

图2为关节的运动轨迹；

图3为关节角速度曲线；

图4为关节角加速度曲线；

图5为本发明的技术方案简图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。本发明具体实施步骤：

步骤1：参数化关节角函数 ；

步骤2：定义系统的Denavit-Hartenberg(D-H)参数和空间机械臂的质量特性；

步骤3：定义关节角、角速度、角加速度范围以及基座的初始、期望姿态，还有权重系数和算法的参数；

步骤4：利用模拟退火-粒子群算法对七自由度空间机械臂进行仿真；

所述模拟退火-粒子群算法步骤如下：

第一步：随机初始化粒子的位置和速度；

第二步：计算每个粒子的适应度值，并且进行比较，存储各粒子的位置和适应度值，并存储适应度值最优个体的位置和适应度值；

第三步：确定初始温度；

第四步：确定当前温度下个体最优值的适配值；