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书  名:空间机器人:建模、规划与控制
  • 作  者: 梁斌、徐文福
  • 出版时间: 2017-12-01
  • 出 版 社: 清华大学出版社
  • 字  数: 1071 千字
  • 印  次: 1-1
  • 印  张: 44
  • 开  本: 16开
  • ISBN: 9787302472582
  • 装  帧: 精装
  • 定  价:¥198.00
电子书价:¥138.60 折扣:70折 节省:¥59.40 vip价:¥138.60 电子书大小:73.26M
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内容简介
  本书基于作者多年来承担国家重大型号工程及其他国家级项目取得的研究成果,对空间机器人相关理论和方法进行系统、深入的论述,包括运动学及动力学建模、耦合特性、参数辨识、非完整路径规划、动力学奇异回避、非合作目标测量、自主捕获控制、协调控制、仿真及实验验证等。本书理论与实际紧密结合,对于航天器维修维护、空间站建设、太空垃圾清理等所涉及的空间机器人技术具有很强的支撑作用。
本书可作为高等院校相关专业研究生和高年级本科生的教材,也可供从事空间机器人技术研究及应用的研发人员及工程技术人员参考。
前言
  自从第一颗人造地球卫星发射升空以后,人类对于太空的探索步伐从未放慢,而是越来越重视空间资源的开发和利用。各种类型的航天器不断发射入轨,为人类提供通信、导航、遥感等多种服务; 同时,人类已经或计划在太空建造各种空间站、太空望远镜、太阳能电站等大型、超大型的空间设施。然而,航天器由于故障、完全失效或任务结束而被放弃后,停留在空间将成为新的太空垃圾,不但占用了宝贵的轨道资源,还危及其他航天器的安全。随着大量人造物体进入太空,空间碎片逐年增多,严重影响了人类进入和开发太空的步骤。因此,开展航天器维修维护、轨道垃圾清理及大型空间设施的建设具有极其重要的意义。如果这些工作依靠宇航员来完成,其成本将十分高昂,也是十分危险的,因为恶劣的太空环境会给宇航员的空间作业带来巨大的威胁。用空间机器人代替宇航员进行太空作业不仅可以使宇航员避免在恶劣太空环境中工作时可能受到的伤害,还可以降低成本,提高空间探索的效益。
鉴于空间机器人及其在轨服务具有巨大的应用前景,包括中国在内的各主要航天大国开展了大量研究并已经或将要进行在轨演示验证,在不远的未来将达到实用化的目标。我们课题组早在20世纪90年代初就在国家高技术研究发展计划(即863计划)、国家自然科学基金等的持续支持下,开展了应用基础理论研究和工程型号项目的研制。作为主要单位参与研制的我国首个空间机器人系统已于2013年成功发射并开展了在轨维护技术科学试验,使我国一跃进入了世界空间机器人技术强国的行列。
相对于地面固定基座或其他类型的机器人,空间机器人处于微重力状态,基座自由漂浮,机械臂的运动会导致基座的姿态和质心位置发生变化,而这一变化又影响了机械臂末端的定位和定姿,使得相关的建模、规划及控制等与其他类型的机器人相比有极大的不同; 而且,为了确保空间机器人发射入轨后能圆满完成任务,需要在发射前对关键的规划和控制算法进行充分的仿真分析和实验验证,而在地面进行空间环境的模拟和实验系统的建设也是极其复杂的。经过20多年不懈的努力,作者所领导的课题组开展了大量相关的研究,克服了各种困难,取得了一系列的研究成果。本书旨在对这些研究成果进行系统的总结,以为相关的科学家和工程师提供参考,同时,对未来需要进一步深化研究的课题也进行了阐述。书中涉及的理论及方法大多发表在国际顶级期刊、国际顶级学术会议论文集中,并已实际用于我国的航天型号项目上,具有较强的创新性和实用价值。通过本书的学习,读者将会在理论、方法和实践上得到极大的提高,可用于解决航天器在轨制造、维修维护、太空垃圾清理、空间大型设施建设等所涉及的空间机器人技术方面的问题。
全书共分为16章。第1章主要介绍空间机器人的概念、需求分析、国内外发展现状及趋势; 第2章为机器人运动学基础知识,包括机器人状态描述、正/逆运动学问题、DH及MDH建模方法和典型构型机械臂的解析逆运动学求解; 第3章介绍了机器人微分运动学及奇异分析的基础,包括速度级及加速度级微分运动学方程的推导、雅可比矩阵的计算、典型机械臂的奇异构型分析等; 第4章为机器人动力学基础知识,阐述了动力学建模的基本原理,以及常用的拉格朗日法和牛顿欧拉法两种建模方法; 第5章介绍了空间机器人的感知手段,包括基座姿态敏感器、关节位置和力/力矩传感器、机器人视觉传感器和天基目标测量敏感器; 第6章论述了空间机器人系统的运动学建模方法,包括一般运动学建模方法和虚拟机械臂建模方法及应用; 第7章介绍了空间机器人系统的动力学建模方法,包括通用动力学建模方法、动力学等价机械臂建模方法和多领域统一建模方法; 第8章阐述了空间机器人系统动力学耦合的概念、建模及评估方法,定义了动力学耦合因子并用于减小扰动的路径规划和目标捕获后的鲁棒控制; 第9章阐述了空间机器人系统动力学参数在轨辨识方法,实现了对基座、机械臂及目标卫星的动力学参数辨识,所采用的基于等效单体及等效双体的辨识方法不仅可完整辨识系统的参数,还大大降低了计算量; 第10章介绍了空间机械臂路径规划的概念、关节空间路径规划以及笛卡儿空间路径规划方法,并针对具体任务进行了仿真; 第11章阐述了自由漂浮空间机器人非完整路径规划的理论依据、基于遗传算法的非完整路径规划方法,以及目标停靠与基座姿态重稳定中的应用问题; 第12章阐述了“奇异条件分离+阻尼倒数”的运动学奇异回避方法,以及将空间机器人动力学奇异回避转换为实时的运动学奇异回避的算法; 第13章论述了空间机器人目标捕获的自主路径规划方法,包括基于位置和基于图像两种方法,并进行了比较和分析; 第14章论述了3种典型的非合作目标自主识别与位姿测量方法,包括基于立体视觉的帆板支架识别与位姿测量、基于双目协作相机的通信天线支架识别与位姿测量,以及基于立体视觉的星箭对接环及喷嘴的识别与位姿测量方法; 第15章论述了空间机器人系统的协调控制方法,包括基于前馈补偿的协调控制,以及可同时实现最优交会与目标捕获的方法; 第16章针对空间机器人关键算法的验证和评估,论述了空间机器人系统全数学仿真、半物理仿真以及全物理仿真(即实验)等方法,并分析了各自的优缺点和应用情况。
本书得到了国家自然科学基金(61673239,61573116,U1613227)、国家863重大项目、国家863重点项目,以及深圳市空间机器人与遥科学重点实验室(ZDSYS20140512091043835)和深圳市基础研究学科布局项目(JCYJ20160427183553203、JCYJ20150529141408781)等课题的资助。本书的完成是集体智慧的结晶,除了作者梁斌、徐文福教授外,课题组的研究生仇越、杜晓东、史也、王学谦、胡松华、胡忠华、闫磊等也进行了大量的工作,在此一并表示感谢。另外,对本书所参考的所有文献的作者表示诚挚的谢意。
梁斌教授总体负责本书的统筹规划和修订,重点编写了其中的第1、4、5、7、8、10、14、16章,徐文福教授重点编写了第2、3、6、9、11、12、13、15章,李兵教授、王学谦博士、胡忠华博士、牟宗高博士、闫磊博士等参与了本书的文字校阅工作。

由于空间机器人技术不断发展完善,应用不断普及,对其功能和性能的要求不断提高,很多新技术在不断地对相关的理论和方法产生影响,相关的理论和方法仍在发展和完善之中,加之编写时间有限,书中难免有些不妥之处,敬请广大读者指正。



作者
2017年10月
目录
第1章空间机器人发展现状及趋势

1.1引言

1.2空间机器人的概念及分类

1.3空间机器人需求分析

1.3.1频繁的卫星失效导致了巨大的经济损失

1.3.2不断增长的轨道垃圾严重影响正常卫星的安全

1.3.3大型空间设施的建设与维护需求越来越紧迫

1.3.4新型空间技术对在轨服务的推动

1.3.5空间机器人代替宇航员是未来在轨服务的必然

1.3.6空间机器人在轨服务内容

1.4载人航天器机械臂国内外发展现状

1.4.1航天飞机机器人SRMS

1.4.2国际空间站机器人

1.4.2.1空间站移动服务系统

1.4.2.2日本实验舱遥控机械臂系统

1.4.2.3欧洲机械臂系统

1.4.3中国的舱外自由移动机器人系统EMR

1.4.4中国的空间站机器人系统

1.5自由飞行空间机器人国内外发展现状

1.5.1已成功在轨演示的自由飞行空间机器人

1.5.2美国的空间机器人技术发展分析

1.5.2.1轨道快车

1.5.2.2机器人燃料加注实验

1.5.2.3FREND项目

1.5.2.4“凤凰”计划

1.5.2.5大型望远镜及空间结构在轨服务计划

1.5.2.6太空服务基地计划

1.5.2.7在轨制造计划

1.5.2.8美国在轨服务发展小结

1.5.3日本的空间机器人技术发展分析

1.5.4德国的空间机器人技术发展分析

1.5.5欧洲空间局的空间机器人技术发展分析

1.5.6加拿大的空间机器人技术发展分析

1.5.7中国的空间机器人技术发展分析

1.6空间机器人技术发展趋势分析

1.7小结

参考文献

第2章机器人运动学基础

2.1引言

2.2刚体的位置和姿态

2.2.1刚体位置的描述

2.2.2刚体姿态的描述

2.2.2.1旋转变换矩阵表示法

2.2.2.2欧拉角表示法

2.2.2.3欧拉轴角表示

2.2.2.4单位四元数表示法

2.2.2.5小角度下的姿态表示

2.2.2.6各种姿态表示的优缺点分析

2.2.3齐次坐标与齐次变换

2.3刚体的运动

2.3.1刚体的一般运动

2.3.2刚体的姿态运动学

2.3.2.1旋转变换矩阵表示下的姿态运动

2.3.2.2欧拉角表示法

2.3.2.3欧拉轴角表示

2.3.2.4单位四元数表示

2.3.3姿态奇异条件分析

2.3.3.1姿态奇异条件及特性分析

2.3.3.2第Ⅰ类欧拉角的奇异分析

2.3.3.3第Ⅱ类欧拉角的奇异分析

2.4机械臂状态描述

2.4.1关节状态变量与关节速度

2.4.2末端位姿与末端速度

2.4.3关节空间与任务空间

2.5机械臂运动学正问题和逆问题

2.6位置级运动学问题

2.6.1平面2连杆机械臂位置级正运动学举例

2.6.2平面2连杆机械臂位置级逆运动学举例

2.7机器人连杆坐标系建立的DH法

2.7.1经典DH表示法

2.7.1.1DH坐标系与DH参数

2.7.1.2各连杆DH坐标系建立的步骤

2.7.1.3基于DH参数的齐次变换矩阵

2.7.2改造后的DH表示法

2.8典型构型机械臂的解析运动学求解

2.8.13DOF拟人肘机械臂

2.8.1.13DOF拟人肘机械臂正运动学方程

2.8.1.23DOF拟人肘机械臂逆运动学方程

2.8.23DOF球腕机械臂

2.8.2.13DOF球腕机械臂正运动学方程

2.8.2.23DOF球腕机械臂逆运动学方程

2.8.36DOF腕部分离机械臂

2.8.3.16DOF腕部分离机械臂正运动学方程

2.8.3.26DOF腕部分离机械臂逆运动学方程

2.9小结

参考文献

第3章机器人微分运动学与奇异分析基础

3.1引言

3.2机器人的速度级运动学

3.2.1速度级运动学方程

3.2.2机器人的微分运动

3.2.2.1采用6D状态变量描述末端位姿时

3.2.2.2采用齐次变换矩阵描述末端位姿时

3.2.3速度级运动学举例

3.2.3.1平面2连杆机械臂速度级正运动学举例

3.2.3.2平面2连杆机械臂速度级逆运动学举例

3.3机器人的加速度级微分运动学

3.3.1加速度级运动学方程

3.3.2加速度级运动学举例

3.3.2.1平面2连杆机械臂加速度级正运动学举例

3.3.2.2平面2连杆机械臂加速度级逆运动学举例

3.4雅可比矩阵的计算方法

3.4.1不同坐标系表示下的雅可比矩阵的关系

3.4.2利用各关节位姿齐次变换矩阵

3.4.3根据末端位姿矩阵直接微分

3.5雅可比矩阵计算实例

3.5.1拟人的3DOF肘机械臂

3.5.23DOF球腕机械臂

3.5.36DOF腕部分离机械臂

3.6典型运动学奇异臂型分析

3.6.13DOF拟人肘机械臂

3.6.1.1奇异条件确定

3.6.1.2奇异臂型与运动退化分析

3.6.23DOF球腕机械臂

3.6.36DOF腕部分离机械臂

3.6.3.1腕部运动的分解

3.6.3.2奇异条件的确定

3.7基于微分运动学的通用逆运动学求解方法

3.7.1算法原理

3.7.2算法流程

3.7.3算法举例

3.8小结

参考文献

第4章机器人动力学基础

4.1引言

4.2动力学建模的基本原理

4.2.1欧拉方程

4.2.1.1刚体动量矩

4.2.1.2欧拉力矩方程

4.2.2达朗贝尔原理

4.2.3虚位移原理

4.2.3.1广义坐标

4.2.3.2虚位移原理

4.2.3.3广义力

4.2.4拉格朗日方程

4.2.4.1仅考虑动能情况下

4.2.4.2仅考虑势能情况下

4.2.4.3一般拉格朗日方程

4.3机器人动力学基础

4.3.1拉格朗日方法

4.3.1.1连杆的动能

4.3.1.2连杆的势能

4.3.1.3拉格朗日动力学方程

4.3.1.4拉格朗日动力学方程举例

4.3.2牛顿欧拉法

4.3.2.1力和力矩的递推关系式

4.3.2.2递推的牛顿欧拉动力学算法

4.4小结

参考文献

第5章空间机器人感知

5.1引言

5.2空间机器人基座姿态敏感器

5.2.1陀螺

5.2.2星敏感器

5.2.2.1工作原理

5.2.2.2主要技术指标

5.2.3太阳敏感器

5.2.4红外地球敏感器

5.2.5典型姿态测量部件组成及姿态确定算法设计

5.2.5.1GNC分系统的组成

5.2.5.2姿态确定算法

5.3机器人关节位置检测

5.3.1电位计

5.3.2旋转变压器

5.3.3光电编码器

5.3.3.1增量式光电编码器

5.3.3.2绝对式光电编码器

5.4机器人力/力矩感知

5.5机器人视觉

5.5.1相机成像模型

5.5.2单目视觉与位姿测量

5.5.2.1单目视觉系统与PnP算法

5.5.2.2常用的P3P问题及其求解

5.5.3双目视觉系统与立体匹配

5.6天基目标测量敏感器

5.6.1天基目标分类

5.6.2国内外应用情况分析

5.6.3天基目标测量敏感器简介

5.6.3.1微波测距仪

5.6.3.2激光测距仪

5.6.3.3差分GPS(RGPS)

5.6.3.4光学测角相机

5.6.3.5宽视场测量相机

5.6.3.6窄视场成像相机

5.6.3.7交会测量相机

5.6.3.8典型目标测量设备配置方案

5.7天基目标测量方案举例

5.7.1GEO非合作航天器在轨救援任务设计

5.7.1.1在轨接近任务

5.7.1.2绕飞监测任务

5.7.1.3停靠与抓捕

5.7.1.4在轨修复

5.7.2天基目标测量分系统配置方案

5.7.3GNC算法设计

5.7.3.1制导律的要求

5.7.3.2控制的要求

5.7.3.3导航的要求

5.8小结

参考文献

第6章空间机器人运动学建模

6.1引言

6.2符号及坐标系定义

6.3位置级运动学方程

6.3.1位置级正运动学方程

6.3.1.1位置级正运动学方程一般式

6.3.1.2空间机器人的正运动学方程举例

6.3.2位置级逆运动学方程

6.3.2.1空间机器人系统逆运动学方程解的存在性讨论

6.3.2.2基座位姿已知时的逆运动学方程求解

6.3.2.3仅基座姿态已知但系统不受外力时的逆运动学方程求解

6.4微分运动学方程

6.4.1速度级正运动学方程

6.4.1.1空间机器人一般运动方程

6.4.1.2空间机器人系统线动量和角动量

6.4.1.3基座位姿稳定时的运动学方程

6.4.1.4基座姿态受控模式的运动学方程

6.4.1.5自由漂浮模式的运动学方程

6.4.2速度级逆运动学方程

6.4.2.1一般情况下的逆运动学方程

6.4.2.2基座位姿固定时的逆运动学方程

6.4.2.3基座姿态受控、系统不受外力时的运动学方程

6.4.2.4自由漂浮模式的逆运动学方程与动力学奇异

6.4.3平面2连杆空间机器人系统运动学方程举例

6.4.3.1位置关系

6.4.3.2一般运动方程

6.4.3.3基座位姿固定模式下的运动学方程

6.4.3.4基座姿态受控模式下的运动学方程

6.4.3.5自由飘浮模式下的运动学方程

6.4.3.6平面空间机器人PIW与PDW的分析

6.4.4平面3连杆空间机器人系统运动学方程举例

6.4.4.1位置关系

6.4.4.2一般运动方程

6.4.4.3基座位姿固定模式下的运动学方程

6.4.4.4基座姿态受控模式下的运动学方程

6.4.4.5自由飘浮模式下的运动学方程

6.5虚拟机械臂建模及其应用

6.5.1基于虚拟机械臂的运动学建模

6.5.2工作空间分析

6.5.2.1空间机器人工作空间类型

6.5.2.2平面空间机器人系统示例

6.5.3基于虚拟机械臂的逆运动学求解

6.6小结

参考文献

第7章空间机器人动力学建模

7.1引言

7.2空间机器人通用动力学建模方法

7.2.1拉格朗日法

7.2.1.1空间机器人系统的动能

7.2.1.2空间机器人的拉格朗日动力学方程

7.2.1.3自由漂浮空间机器人动力学方程

7.2.2平面单连杆空间机器人动力学方程举例

7.2.3平面双连杆空间机器人动力学方程举例

7.3动力学等价机械臂建模

7.3.1不受外力作用下空间机器人系统动力学建模

7.3.2关节1为球关节时的固定基座机械臂动力学

7.3.3动力学等价机械臂(DEM)及其与SM的等价性

7.3.3.1动力学等价机械臂的定义

7.3.3.2SM与DEM的运动学等价

7.3.3.3SM与DEM的动力学等价

7.3.3.4仿真验证

7.4多领域统一建模方法

7.4.1非因果建模思想

7.4.1.1因果建模的局限性

7.4.1.2非因果建模

7.4.2空间机器人系统的多领域功能模块划分

7.4.3单臂空间机器人系统多领域统一建模

7.4.3.1空间机器人机构部分的建模

7.4.3.2机械臂关节轴的建模

7.4.3.3机械臂路径规划器(PathPlanning)

7.4.3.4基座姿态控制执行机构的建模

7.4.3.5姿态及轨道控制器

7.4.4多臂空间机器人系统的多领域统一建模

7.4.5仿真研究

7.4.5.1单臂空间机器人操作的多领域统一仿真

7.4.5.2双臂空间机器人操作的多领域统一仿真

7.5小结

参考文献

第8章空间机器人系统动力学耦合

8.1引言

8.2基于速度级运动学的动力学耦合建模及分析

8.2.1自由漂浮状态下的动量守恒

8.2.2关节与基座的耦合运动

8.2.3末端与基座的耦合运动

8.2.4动力学耦合测度

8.3空间机器人混合动力学耦合分析

8.3.1耦合运动分解

8.3.2基座质心耦合的位置级建模

8.3.2.1质心等效机械臂BCVM

8.3.2.2基座质心的耦合运动

8.3.3基座姿态耦合的速度级建模

8.3.3.1角动量守恒

8.3.3.2基座姿态的耦合运动

8.3.4动力学耦合因子

8.3.4.1基座质心的位置级耦合

8.3.4.2基座姿态的速度级耦合

8.3.4.3实例分析

8.4混合法与速度级建模方法的比较

8.4.1速度级动力学耦合建模方法

8.4.2混合动力学耦合建模

8.4.3两种动力学耦合对比分析

8.5基于混合方法的动力学耦合分析

8.5.1不同负载质量对动力学耦合的影响

8.5.1.1基座质心位置的耦合分析

8.5.1.2基座姿态的耦合分析

8.5.2安装角对动力学耦合的影响

8.5.2.1基座质心位置的耦合分析

8.5.2.2基座姿态的耦合分析

8.6混合动力学耦合因子的应用

8.6.1减小扰动的规划方法

8.6.1.1几种负载下关节到基座的扰动等高线

8.6.1.2几种负载下末端到基座的扰动等高线

8.6.2未知目标捕获后的鲁棒控制方法

8.6.2.1建立跟踪误差状态方程

8.6.2.2H∞鲁棒控制器的设计

8.6.2.3MATLAB仿真分析

8.7本章小结

参考文献

第9章空间机器人系统参数在轨辨识

9.1引言

9.2传统航天器的动力学参数辨识

9.2.1坐标系定义及动力学建模

9.2.2参数解耦的最小二乘法辨识方法

9.2.2.1基于动量守恒的航天器转动惯量的辨识

9.2.2.2基于推力控制的质量和质心位置辨识

9.2.3基于PSO的航天器质量特性辨识方法

9.2.3.1参数辨识与非线性系统优化

9.2.3.2基于PSO的辨识方法

9.2.4仿真研究

9.2.4.1动力学仿真模型参数

9.2.4.2参数解耦最小二乘法辨识仿真

9.2.4.3基于PSO优化方法的质量特性辨识仿真

9.2.4.4两种方法的比较分析

9.3基于等效单体及等效双体的动力学参数辨识方法

9.3.1空间机器人系统建模

9.3.1.1空间机器人运动学方程

9.3.1.2线动量与角动量方程

9.3.2参数辨识思路及流程

9.3.2.1等效单体系统辨识

9.3.2.2等效双体系统辨识

9.3.2.3各个刚体动力学参数辨识

9.3.3等效单体系统辨识方法

9.3.4等效双体系统辨识方法

9.3.4.1运动方程

9.3.4.2动力学参数辨识的目标函数

9.3.5基于优化算法求解动力学参数

9.3.6仿真研究

9.3.6.1六自由度空间机器人

9.3.6.2推进器分布

9.3.6.3等效质量参数辨识结果

9.3.6.4各个体的辨识结果

9.3.7误差及参数敏感性分析

9.3.7.1动力学参数辨识结果误差分析

9.3.7.2惯性参数敏感度分析

9.4小结

参考文献

第10章空间机械臂路径规划

10.1引言

10.2机器人规划的基本概念

10.2.1机器人规划的层次划分

10.2.2机器人的轨迹规划

10.2.3机器人的路径规划与控制的关系

10.3关节空间路径规划

10.3.13次多项式插值

10.3.25次多项式插值

10.3.3用抛物线拟合的线性插值

10.3.43次样条插值

10.3.5梯形速度插值

10.4笛卡儿空间路径规划

10.4.1基于位置级求逆的笛卡儿空间路径规划

10.4.2基于速度级求逆的笛卡儿空间路径规划

10.4.3基于驱动函数的笛卡儿直线路径规划

10.4.3.1基于驱动变换的直线路径规划描述

10.4.3.2驱动变换矩阵的确定

10.4.3.3基于驱动变换矩阵的笛卡儿直线路径规划与改进

10.5路径规划仿真

10.5.1仿真模型

10.5.2关节空间路径规划仿真

10.5.3笛卡儿空间路径规划仿真

10.5.3.1笛卡儿点到点规划仿真

10.5.3.2基于速度级逆运动学的笛卡儿多结点规划仿真

10.5.3.3基于驱动函数的笛卡儿直线路径规划仿真

10.6小结

参考文献

第11章自由漂浮空间机器人非完整路径规划

11.1引言

11.2空间机器人非完整路径规划问题

11.2.1非完整路径规划的依据

11.2.2主要规划方法

11.2.2.1关节空间周期运动法

11.2.2.2基于Lyaponov函数的双向搜索法

11.2.2.3基于增强扰动图(EDM)及反作用零空间的路径规划方法

11.2.2.4基于螺旋运动的路径规划方法

11.3基于遗传算法的非完整路径规划方法

11.3.1系统状态变量

11.3.2关节函数参数化

11.3.3目标函数的定义

11.3.3.1关节角速度及角加速度不受限制的情况

11.3.3.2关节角速度及角加速度受限制的情况

11.3.3.3基座姿态受限的情况

11.3.4基于遗传算法的路径规划问题求解

11.3.4.1遗传算法的简单回顾

11.3.4.2基于遗传算法的规划问题求解步骤

11.3.5仿真研究

11.3.5.1关节角速度及角加速度不受限制的情况

11.3.5.2关节角速度及角加速度受限制的情况

11.3.5.3基座姿态受限的情况

11.4目标的停靠与基座姿态重稳定

11.4.1目标捕获

11.4.2动力学参数辨识

11.4.3捕获后目标的停靠与基座姿态的重稳定

11.5空间机器人笛卡儿路径规划问题

11.5.1问题描述

11.5.2空间机器人笛卡儿路径规划中的特殊问题

11.5.2.1动力学奇异

11.5.2.2空间机器人的路径相关工作空间与路径无关工作空间

11.6空间机器人笛卡儿点到点路径规划

11.6.1点到点路径规划问题

11.6.2关节函数参数化

11.6.3关节函数的归一化

11.6.4路径规划问题的求解

11.6.4.1算法流程

11.6.4.2赋初值的一般准则

11.6.5仿真研究

11.7空间机器人笛卡儿连续路径规划

11.7.1笛卡儿空间连续位姿跟踪

11.7.1.1末端运动速度规划

11.7.1.2机械臂关节运动规划

11.7.1.3笛卡儿直线路径跟踪举例

11.7.2基座姿态无扰动的笛卡儿路径规划

11.7.2.1基座姿态无扰动的笛卡儿路径规划方法

11.7.2.2基座姿态无扰动位置跟踪仿真研究

11.7.2.3基座姿态无扰动姿态跟踪仿真研究

11.7.3基座姿态调整的笛卡儿路径规划

11.7.3.1基座姿态调整的笛卡儿路径规划方法

11.7.3.2基座姿态调整的笛卡儿位置跟踪仿真研究

11.7.3.3基座姿态调整的连续姿态跟踪仿真研究

11.8小结

参考文献

第12章空间机器人的运动学与动力学奇异回避

12.1引言

12.2常用的空间6R机械臂

12.3航天器参考坐标系下的奇异回避

12.3.1腕部逆运动学方程及其分解

12.3.1.1腕部运动学方程

12.3.1.2速度级逆运动学方程的分解

12.3.2奇异条件分离

12.3.2.1前端奇异的分离

12.3.2.2腕部奇异的分离

12.3.3奇异回避的逆运动学求解

12.3.3.1基于阻尼倒数的逆运动学

12.3.3.2阻尼系数对末端运动精度的影响分析

12.3.3.3与其他方法的比较

12.3.4奇异分离+阻尼倒数方法的推广使用

12.3.4.1MOTOMANK10机器人运动学建模

12.3.4.2奇异条件分离

12.3.4.3奇异回避路径规划方法的仿真研究

12.3.4.4奇异回避路径规划方法的实验研究

12.4惯性参考坐标系下的奇异回避

12.4.1基座姿态受控时的奇异回避

12.4.1.1基本方程

12.4.1.2典型的奇异条件

12.4.1.3仿真研究

12.4.2自由漂浮情况下的回避奇异路径规划方法

12.4.2.1动力学奇异的特点

12.4.2.2实用的动力学奇异回避算法

12.4.2.3仿真研究

12.5小结

参考文献

第13章空间机器人目标捕获的自主路径规划

13.1引言

13.2空间机器人系统参数与控制器结构

13.2.1空间机器人系统参数

13.2.2控制系统硬件体系结构

13.2.3控制系统软件体系设计

13.2.3.1软件总体说明

13.2.3.2软件系统设计

13.3基于位置的自主路径规划

13.3.1主要流程

13.3.2位姿测量

13.3.3目标运动的预测

13.3.4空间机器人末端运动规划

13.3.5空间机器人自主奇异回避算法

13.3.6基座姿态扰动的预测及关节速度的自调整

13.4基于图像的自主路径规划

13.4.1主要流程

13.4.2图像特征变化与末端位姿变化之间的关系

13.4.3目标运动的预测

13.4.3.1图像特征与相对位姿的非线性关系

13.4.3.2基于扩展Kalman滤波器的目标运动预测

13.4.4空间机器人末端运动规划

13.4.5图像雅可比矩阵奇异性的分析

13.4.5.13点光标图像雅可比矩阵奇异性

13.4.5.24点以上光标图像雅可比矩阵的奇异性

13.4.5.3本章的自主捕获过程中图像雅可比的奇异性分析

13.5空间机器人路径规划算法的实验研究

13.5.1基于位置的自主路径规划实验

13.5.1.1相机内外参数的标定

13.5.1.2惯性空间静止目标捕获实验

13.5.1.3惯性空间运动目标捕获实验

13.5.2基于图像的自主路径规划实验

13.5.2.1惯性空间静止目标捕获实验

13.5.2.2惯性空间运动目标捕获实验

13.6基于位置及基于图像自主路径规划方法比较

13.7小结

参考文献

第14章典型非合作目标的位姿测量

14.1引言

14.2非合作目标在轨服务流程与自主识别问题

14.2.1典型GEO非合作目标在轨服务流程

14.2.2非合作目标可识别特征的选择

14.3基于立体视觉的帆板支架识别与位姿测量

14.3.1基于双目视觉的非合作目标测量原理

14.3.2算法流程

14.3.3非合作目标测量实例

14.3.3.1几何参数

14.3.3.2模拟图像采集

14.3.3.3平滑滤波

14.3.3.4边沿检测

14.3.3.5直线提取

14.3.3.6三角形支架的识别与三边中位线交点的提取

14.3.3.7特征点3D重构及目标相对位姿计算

14.3.4仿真研究

14.4基于双目协作相机的天线背板识别与位姿测量

14.4.1基于双目协作相机的测量原理

14.4.2基于双目协作相机的测量方法

14.4.2.1模拟图像采集

14.4.2.2图像处理

14.4.2.3矩形各边的确定

14.4.2.4矩形顶点位置的解算

14.4.2.5位姿估计

14.4.3仿真研究

14.5基于立体视觉的GEO非合作目标的识别与位姿测量

14.5.1立体视觉系统及位姿测量算法

14.5.1.1立体视觉系统

14.5.1.2位姿测量算法

14.5.2仿真研究

14.5.2.1GEO在轨服务系统组成

14.5.2.2非合作目标位置测量算法的验证

14.5.2.3最终接近段的全过程仿真

14.6小结

参考文献

第15章空间机器人系统的协调控制

15.1引言

15.2不同操作任务的控制策略分析

15.2.1非捕获任务的控制策略

15.2.2漂浮目标捕获任务的控制策略

15.2.3具有协调控制功能的星载硬件系统设计

15.3基于前馈补偿的协调控制

15.3.1空间机器人系统协调控制原理

15.3.1.1自由漂浮情况下机械臂运动对基座的扰动分析

15.3.1.2常规姿态控制下机械臂运动产生的扰动分析

15.3.1.3基于干扰力矩前馈补偿的协调控制

15.3.1.4基于角动量前馈补偿的协调控制

15.3.2机械臂运动产生的干扰角动量的实时估计

15.3.2.1空间机器人系统角动量的计算公式

15.3.2.2实时估计的近似计算公式

15.3.2.3角动量实时估计举例

15.3.2.4负载平移或转动产生的角动量比较

15.3.2.5不同程度补偿的影响分析

15.3.3空间机器人系统协调控制律设计

15.3.3.1基于反作用飞轮的协调控制律

15.3.3.2基于喷气推进器的协调控制实现

15.4空间机器人系统的协调规划与控制

15.4.1运动目标自主交会与捕获的协调规划与控制问题

15.4.2运动目标最优交会与捕获的协调规划与控制方法

15.4.2.1基本思想与算法流程

15.4.2.2基座最优交会姿态的确定

15.4.2.3机械臂最佳捕获臂型的确定

15.4.2.4基座姿态及机械臂关节角轨迹的规划

15.4.2.5空间机器人系统的协调控制

15.4.3仿真研究

15.4.3.1仿真模型的建立

15.4.3.2直线运动目标的自主交会与捕获仿真

15.4.3.3曲线运动目标的自主交会与捕获仿真

15.5小结

附录15A几何法求解2DOF机械臂关节角

参考文献

第16章空间机器人数学仿真与地面验证系统

16.1引言

16.2空间机器人全数学建模与仿真系统

16.2.1基于Adams的空间机器人动力学建模

16.2.2利用MATLAB/Simulink建立的动力学仿真平台

16.2.2.1开发基于标准C语言的动力学计算函数

16.2.2.2将C语言动力学计算函数封装为S函数

16.2.2.3基于Simulink的空间机器人系统闭环仿真

16.2.3空间机器人视觉、动力学及GNC一体化仿真平台

16.2.3.1系统组成

16.2.3.23D几何模型生成

16.2.3.3双目相机成像模型

16.2.3.4图像处理与位姿测量

16.2.3.5空间机器人路径规划与控制

16.2.3.6空间机器人系统及目标星的动力学建模

16.2.3.7立体相机标定

16.3空间机器人半物理仿真试验系统

16.3.1系统功能与组成

16.3.1.1真实相机

16.3.1.2投影设备

16.3.1.3图像生成计算机

16.3.1.4视觉伺服控制仿真计算机

16.3.2半物理仿真实验系统的实现原理

16.3.2.1相机成像模型

16.3.2.2半物理仿真系统的投影等效原理

16.3.2.3等效投影模型的标定

16.3.3基于半物理仿真实验系统的仿真实验研究

16.3.3.1等效投影模型的标定结果

16.3.3.2空间机器人目标捕获的半物理仿真

16.4空间机器人微重力模拟实验方法及系统

16.4.1基于自由落体运动的微重力模拟实验系统

16.4.2基于抛物线飞行的微重力模拟实验系统

16.4.3平面气浮式实验系统

16.4.4水浮实验系统

16.4.5吊丝配重实验系统

16.4.6硬件在环内仿真实验系统

16.5空间机器人目标捕获地面实验系统

16.5.1动力学模拟与运动学等效

16.5.2位置级的运动学等效

16.5.2.1模式Ⅰ的位置级运动学等效

16.5.2.2模式Ⅱ的位置级运动学等效

16.5.3速度级的运动学等效

16.5.3.1模式Ⅰ的速度级运动学等效

16.5.3.2模式Ⅱ的速度级运动学等效

16.5.4实现思想的数学仿真

16.5.4.1仿真的初始条件

16.5.4.2模式Ⅰ的仿真

16.5.4.3模式Ⅱ的仿真

16.5.4.4两种模式的分析和比较

16.5.5空间机器人地面实验系统的建立

16.5.5.1两套工业机器人

16.5.5.2手眼视觉测量系统

16.5.5.3三维实时仿真系统

16.5.5.4目标星模拟器

16.5.5.5全局视觉系统

16.6小结

参考文献

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