空间机器人遥操作系统及局部自主技术研究

发布时间：2020-09-27 21:59

　　空间机器人技术能够有效提高宇航员人身安全并降低空间维护和探索的成本。具有局部自主控制能力的空间机器人和辅助人类进行远程操作与决策的空间机器人遥操作系统是目前的主流研究方向。本文从空间机器人遥操作系统的设计出发,在系统结构和功能设计、安全控制策略、离线和在线轨迹重构算法、末端夹持器滑动检测算法及状态观测器等方面展开研究。根据在轨自维护空间机器人及其遥操作系统的任务和功能要求,建立了相应的地面遥操作系统。该系统具有实时遥编程、某关节受损锁死时的容错规划、主从/双边遥操作、操作坐标系转换、虚拟现实、指令实时显示与监督等功能。除此以外,该系统还具有必备的安全控制策略,其包括:碰撞检测功能、速度限幅与关节限位功能和运动学避奇异功能。同时还建立了虚拟仿真系统和虚拟时延,并可利用其对所建立的遥操作系统进行功能验证。在遥操作系统的主端,即力反馈设备端,针对遥操作过程中由于操作者手部抖动引起的机械臂末端动态跟踪精度降低的问题,提出了两种主端共享控制策略。首先,建立了单关节模型,并分析了规划轨迹的加速度和加加速度对末端跟踪精度的影响。然后,建立了系统的运动学模型并对其进行了离散化处理。最后,本文提出了在线和离线两种轨迹重构算法,其中离线轨迹重构算法利用了基于内点法的固定区间平滑器以达到较高的计算效率,而在线轨迹重构算法采用了本文所提出的一种方差自调节固定滞后卡尔曼平滑器来实现。两者均能将重构轨迹的加速度和加加速度近似约束在指定的范围内,从而达到提高末端跟踪精度的目的。在遥操作系统的从端,即空间机器人端,针对遥操作过程中从端夹持器的滑动问题和运动状态估计问题,提出了两种从端监督控制策略。首先,建立了一个包含系统噪声和非线性特性的通用滑动过程模型。然后,提出通过分区间统计的方法确定检测阈值,以减少加载过程和系统非线性对检测部分的影响,从而提高检测精度。其次,用恒定微增量控制器来实现稳定后的加载力增量最小的目标。最后,考虑到传感器噪声对检测精度起决定性作用,利用滑动平均滤波器作为预滤波器,并与低通滤波器进行了对比。针对从端夹持器手指的运动状态估计问题,对电位计式位置传感器的噪声特性进行分析,并提出了基于自适应固定滞后平滑器的状态观测器。最后,以本文所设计的空间机器人地面遥操作系统为实验平台,对本文所提的实时遥编程功能、轨迹重构算法、末端滑动抑制策略和状态观测器分别进行了实验验证。实验结果表明实时遥编程功能能够有效的进行直线和圆弧轨迹规划,保证规划的轨迹满足限速限位、防碰撞和避运动学奇异等约束,满足从端空间机器人对跟踪精度的要求。轨迹重构的实验结果表明,重构后轨迹的加速度和加加速度能够有效地被约束在指定的范围内。重构后的轨迹与非约束滤波器相比,动态跟踪精度好且残余震动小,并且末端轨迹的形变量较小。进行滑动抑制实验时,算法中参数的选取只依赖于系统特性而与被抓物体几乎无关。其实验结果表明,多阈值检测算法的检测准确性优于单一阈值检测算法,且能够大幅减小稳定所需的加载力增量。状态观测器的实验结果表明,相比对原始位置数据进行直接差分,该方法能够有效地提高运动状态的观测精度。相比基于标准卡尔曼滤波器和固定滞后卡尔曼平滑器的状态观测器,该方法在动态响应方面具有更好的效果。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP242
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章绪论
    1.1 课题背景及研究意义
    1.2 空间机器人遥操作系统综述
        1.2.1 国外空间机器人遥操作系统综述
        1.2.2 国内空间机器人遥操作系统综述
        1.2.3 空间机器人安全控制策略综述
    1.3 局部自主控制策略研究综述
        1.3.1 共享控制策略研究综述
        1.3.2 监督控制策略研究综述
    1.4 本文的主要研究内容
第2章空间机器人遥操作系统及安全控制策略研究
    2.1 引言
    2.2 空间机器人遥操作系统构成及控制模式
        2.2.1 空间机器人遥操作系统构成
        2.2.2 遥编程模式
        2.2.3 遥操作模式
    2.3 系统安全控制策略
        2.3.1 碰撞检测与额外时延
        2.3.2 速度限制与关节限位
        2.3.3 运动学避奇异
    2.4 本章小节
第3章基于轨迹重构的局部自主技术研究
    3.1 引言
    3.2 问题描述与模型建立
        3.2.1 加速度和加加速度对跟踪精度和残余振动的影响
        3.2.2 系统模型的建立及其离散化
        3.2.3 卡尔曼平滑器
    3.3 离线约束平滑算法
        3.3.1 基于内点法的固定区间卡尔曼平滑器
        3.3.2 约束条件与约束不等式的选取
    3.4 在线约束平滑算法
        3.4.1 额外时延队列与固定滞后卡尔曼平滑器
        3.4.2 基于方差自调节的固定滞后卡尔曼平滑器
    3.5 本章小节
第4章基于滑动抑制与状态观测器的局部自主技术研究
    4.1 引言
    4.2 基于多检测阈值的恒定微增量滑动抑制策略
        4.2.1 滑动过程模型的建立
        4.2.2 压阻类触觉传感器的预滤波器设计
        4.2.3 基于多检测阈值的恒定微增量控制器
    4.3 基于电位计式位置传感器的状态观测器设计
        4.3.1 噪声分析与系统建模
        4.3.2 基于自适应固定滞后卡尔曼平滑器的状态观测器
    4.4 本章小节
第5章遥操作系统及局部自主控制策略的实验验证
    5.1 引言
    5.2 实时遥编程功能的实验验证
    5.3 主端共享控制策略的实验验证
        5.3.1 实验设置
        5.3.2 轨迹重构算法的实验验证
    5.4 从端监督控制策略的实验验证
        5.4.1 实验设置
        5.4.2 滑动抑制实验验证
        5.4.3 运动状态观测器的实验验证
    5.5 本章小节
结论
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文及其他成果
致谢
个人简历

【参考文献】