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空间机器人动力学参数辨识及其软件设计

作　者: 夏丹
导　师: 李瑰贤
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 空间机器人动力学参数辨识最小二乘法遗传算法软件编制
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 137次
引　用: 3次
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内容摘要

由于加工、装配误差以及在轨燃料消耗等原因,空间机器人名义动力学参数与实际动力学参数相比存在一定的误差,而空间机器人路径规划和地面机器人不同,其广义雅克比矩阵包含动力学参数,从而使计算轨迹偏离所要求的路径,所以必须对动力学参数进行辨识,另一方面,为了提高控制精度,也需要精确的动力学参数。因此,动力学参数辨识尤为重要。然而,在空间微重力环境下,某些利用重力平衡原理的辨识方法无法应用;此外,用于测量空间机器人关节加速度和驱动力矩的传感器,信噪比也较低。因而,在考虑空间机器人的实际工作状态的情况下,研究一种经济、可行的动力学参数辨识方法,一直是该领域的研究难点,同时也是本文研究的目的所在。本文采用基于角动量守恒的动力学参数辨识方法,通过测量安装在基座上的反作用力飞轮的角动量,并与利用系统名义动力学参数所计算的飞轮角动量相比较来完成辨识过程。依据此种方法,空间机器人系统仅需安装常规的关节角位移和角速度传感器、基座角位移和角速度传感器,而无需增加额外的传感器,因而,简化了空间机器人系统,节约了研制成本。首先,本文根据角动量守恒方程式建立动力学参数辨识的误差模型。以此为基础,利用三次多项式插值法规划基座以及各关节的轨迹,实现对空间机器人系统的激励。根据激励的结果,分别用最小二乘法和遗传算法对两关节空间机器人模型进行动力学参数辨识仿真。在上述研究基础上,进而讨论复杂的六自由度空间机器人动力学参数辨识问题。类似地,用上述两种算法分别实现对空间机器人动力学参数辨识。然而,在辨识中发现采用传统遗传算法容易产生“早熟”现象,导致寻优过程过早结束,达不到理想的辨识精度。有鉴于此,本文采用小区间生成法、精英保留策略和大变异操作对原有遗传算法进行改进,并将动力学参数仿真的结果与最小二乘法的辨识结果相对比,发现在参数矩阵复杂的情况下,遗传算法表现出明显的优越性。本文还采用最小二乘法针对被捕获的未知物体的动力学参数进行辨识。最后,本文利用matlab的GUI对两关节以及六关节机器人动力学参数辨识问题进行软件设计,实现了参数辨识输入和输出的界面显示,从而以图形方式直观地表达了辨识效果,增强了可交互性。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-19
  1.1 课题背景  10-12
    1.1.1 课题来源  10
    1.1.2 研究的目的及意义  10-12
  1.2 空间机器人国内外研究现状  12-17
    1.2.1 国外空间机器人研究现状  12-14
    1.2.2 国内空间机器人技术发展概况  14-15
    1.2.3 空间机器人动力学参数辨识的研究现状  15-17
  1.3 本文主要研究内容  17-19
第2章两关节空间机器人动力学参数辨识  19-33
  2.1 引言  19
  2.2 基本假设与刚体姿态表示  19-21
    2.2.1 基本假设  19-20
    2.2.2 刚体姿态表示  20-21
  2.3 两关节空间机器人关节结构设计  21-22
  2.4 运动分析  22-24
  2.5 基座与机械臂轨迹规划  24-26
    2.5.1 基座的轨迹规划  24-25
    2.5.2 关节1 的轨迹规划  25
    2.5.3 关节2 的轨迹规划  25-26
  2.6 基于最小二乘法的动力学参数辨识  26-29
    2.6.1 动力学参数辨识偏差模型的建立  26-27
    2.6.2 动力学参数辨识的程序设计  27-29
  2.7 基于遗传算法的动力学参数辨识  29-31
    2.7.1 遗传算法原理  29
    2.7.2 适应度函数的选择  29-30
    2.7.3 基于遗传算法的动力学参数辨识仿真  30
    2.7.4 遗传算法的辨识结果  30-31
  2.8 本章小结  31-33
第3章六关节空间机器人动力学参数辨识  33-57
  3.1 引言  33
  3.2 本章研究的空间机器人系统  33-38
    3.2.1 六关节空间机器人动力学参数辨识难点分析  33-34
    3.2.2 变量定义  34-36
    3.2.3 几点说明  36-37
    3.2.4 待辨识参数  37-38
  3.3 空间机器人运动学模型  38-40
    3.3.1 位置方程  38
    3.3.2 速度方程  38-39
    3.3.3 系统的动量守恒方程  39-40
  3.4 基于最小二乘法的动力学参数辨识  40-47
    3.4.1 动力学参数辨识偏差模型的建立  40-42
    3.4.2 基座与机械臂轨迹规划  42-45
    3.4.3 辨识过程与结果  45-47
  3.5 基于遗传算法的六关节空间机器人动力学参数辨识  47-51
    3.5.1 基于传统的遗传算法的辨识结果  47
    3.5.2 基于改进后的遗传算法的辨识结果  47-51
  3.6 捕获未知物体后的参数辨识  51-55
    3.6.1 轨迹规划  54
    3.6.2 辨识过程与结果  54-55
  3.7 本章小结  55-57
第4章空间机器人动力学参数辨识软件设计  57-64
  4.1 引言  57
  4.2 几点说明  57
  4.3 两关节空间机器人辨识系统软件设计  57-60
    4.3.1 软件设计  57-59
    4.3.2 飞轮角动量曲线图  59-60
  4.4 六关节空间机器人辨识系统软件设计  60-64
    4.4.1 软件设计  60-62
    4.4.2 飞轮角动量曲线图  62-63
    4.4.3 本章小结  63-64
结论  64-65
参考文献  65-70
攻读学位期间发表的学术论文  70-71
致谢  71

空间机器人动力学参数辨识及其软件设计

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