空间机器人捕获翻滚目标的动力学与控制

本书面向空间飞行器在轨服务对空间机器人操作与控制的需求，以空间机器人捕获翻滚目标过程中的动力学、运动规划和协调控制为主线，主要内容包括：空间机器人捕获翻滚目标的动力学建模、捕获目标过程中的约束处理与协调控制策略、基于机器学习的翻滚目标运动预测与抓捕决策、抓捕目标时机确定和最优抓捕轨迹规划与控制、空间机器人接近目标和捕获目标后消旋的最优轨迹规划与控制、捕获目标后的参数辨识与自适应控制,以及地面验证实验中空间和地面机器人之间的动力学等效条件、控制相似律和动力学误差补偿策略等。

罗建军，西北工业大学航天学院教授、博士生导师，航天学院学术委员会主任、航天飞行动力学技术国家级重点实验室副主任，国家民用航天技术专家组成员。 宗立军，香港中文大学（深圳）博士后，IEEE会员。主要研究方向为空间机器人轨迹规划与控制及其地面实验验证等。 王明明，西北工业大学航天学院副教授，博士生导师，主要研究方向为多体动力学建模、集群机器人与空间机器人技术、实时分布式地面仿真系统构建等。

绪论1.1 空间机器人的在轨服务应用1.2 空间机器人捕获翻滚目标的过程与要求1.2.1 观测与规划1.2.2 最终段接近1.2.3 碰撞与抓捕1.2.4 组合体稳定1.3 空间机器人捕获翻滚目标动力学与控制研究现状1.3.1 空间机器人动力学建模1.3.2 空间机器人轨迹规划1.3.3 空间机器人控制1.3.4 地面实验系统与技术 1.4 本书主要内容及章节安排2、空间机器人捕获翻滚目标动力学建模2.1 引言2.2 空间机器人动力学模型2.2.1 牛顿-欧拉方程形式动力学模型2.2.2 拉格朗日方程形式动力学模型2.2.3 逆链动力学模型2.2.4 非惯性系下动力学模型2.3 空间机器人的动力学耦合性2.3.1 动力学耦合性建模2.3.2 动力学耦合性指标2.3.3 动力学耦合性分析2.4 翻滚目标与组合体动力学模型2.5 本章小结3、目标捕获过程中的约束处理与协调控制策略3.1 引言3.2 目标捕获过程中的典型约束3.2.1 躲避障碍物3.2.2 输入受限3.2.3 一般约束的数学形式3.3 不等式约束处理方法 3.3.1 状态不等式转化为扩展动态子系统3.3.2 输入不等式转化为饱和函数3.4 含不等式约束的最优控制方法3.5 协调控制策略3.5.1 闭环逆运动学方法3.5.2 逆动力学控制3.6 本章小结 4、基于机器学习的运动预测与决策4.1 引言4.2 空间目标的运动状态预测4.2.1 预测问题与机器学习4.2.2 基于稀疏高斯过程回归的运动预测方法4.2.3 空间翻滚目标运动状态的长期预测4.2.4 仿真分析4.3 目标意图预测与机械臂运动决策4.3.1 决策问题与强化学习4.3.2 基于高斯过程推断的目标意图预测4.3.3 基于POMDP的机械臂动作决策4.3.4 仿真分析4.4 本章小结5、逼近阶段的最优轨迹规划与协调控制5.1 引言5.2 任务描述与控制策略5.2.1 任务描述与分解5.2.2 控制策略5.3逼近目标最优轨迹规划与控制5.3.1 问题描述5.3.2 约束处理与变分法求解5.3.3 最优性和奇异性讨论5.3.4 模型预测控制5.4协调控制5.4.1 协调控制器5.4.2 稳定性分析5.5 仿真分析5.6 本章小结6、抓捕时机和最优抓捕轨迹规划6.1 引言6.2 抓捕时机确定6.2.1 空间机器人工作空间分析6.2.2 目标上抓捕点运动分析6.2.3 最优抓捕时机确定6.3 任务空间最优抓捕轨迹规划与控制6.3.1最优抓捕轨迹规划6.3.2轨迹跟踪控制6.4 仿真分析6.5 本章小结7、捕获目标后的参数辨识与自适应控制7.1 引言7.2 基于并行学习的目标参数辨识7.2.1 辨识模型7.2.2 辨识参数预处理7.2.3 参数并行学习方法7.3 空间机器人自适应控制7.3.1 基座无扰的自适应控制7.3.2 基于任务优先级的控制7.4 仿真分析7.5 本章小结8、捕获目标后的消旋轨迹规划与组合体协调控制8.1 引言8.2 最短时间消旋轨迹规划8.2.1 问题描述8.2.2 约束处理与变分法求解8.3 组合体位置跟踪协调控制8.3.1 协调控制器8.3.2 稳定性分析8.4 组合体柔顺控制8.5 仿真分析8.6 本章小结9、空间机器人控制器的地面验证方法研究9.1 引言9.2 空间和地面机器人动力学等效分析9.2.1 Buckingham 理论9.2.2 动力学等效分析9.3 空间和地面机器人控制相似律设计方法9.3.1 控制器控制相似律设计准则9.3.2 基于PID控制的相似律设计9.3.3 基于滑模控制的相似律设计9.4 在地面验证空间机器人控制器的设计与仿真9.4.1 动力学参数灵敏性分析9.4.2 动力学误差补偿策略 9.4.3 空间机器人控制器地面仿真验证9.5 本章小结