Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Tối ưu hóa định hướng của robot không gian tự do chịu ảnh hưởng của những bất định ban đầu
Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering - Tập 40 - Trang 1-12 - 2018
Tóm tắt
Bài báo này tập trung vào động lực học và tối ưu hóa định hướng lại của hệ thống robot không gian tự do trong điều kiện có những bất định về trạng thái ban đầu. Một chiến lược điều khiển kết hợp giữa lập kế hoạch chuyển động tối ưu và điều khiển phản hồi được trình bày dựa trên mô hình động lực học của hệ thống. Trong thiết kế lập kế hoạch chuyển động tối ưu, phương pháp giả phổ Legendre (LPM) được sử dụng để chuyển đổi vấn đề tối ưu hóa định hướng lại thành một bài toán lập trình phi tuyến. Sau đó, thuật toán lập trình bậc hai tuần tự được áp dụng để giải quyết bài toán lập trình phi tuyến và tạo ra đường dẫn tham chiếu tối ưu của hệ thống ngoài dòng. Trong thiết kế điều khiển phản hồi, phương trình trạng thái được tuyến tính hóa xung quanh đường dẫn tham chiếu thu được từ LPM. Vấn đề điều khiển theo dõi được chuyển đổi thành một bài toán điều kiện biên hai điểm dựa trên nguyên lý cực đại của Pontryagin. Sau đó, LPM được sử dụng để rời rạc hóa bài toán điều kiện biên hai điểm và chuyển đổi thành một tập các phương trình đại số tuyến tính. Quá trình này không yêu cầu tính toán tích phân và có hiệu suất tốt trong thời gian thực. Các mô phỏng số chỉ ra rằng chiến lược điều khiển là hiệu quả và có độ ổn định tốt.
Từ khóa
#robot không gian #tối ưu hóa #bất định #điều khiển phản hồi #lập hoạch chuyển độngTài liệu tham khảo
Xu W, Liang B, Xu Y (2011) Survey of modeling, planning, and ground verfication of space robotic systems. Acta Astronaut 68(11–12):1629–1649
Flores-Abad A, Ma O, Pham K, Ulrich S (2014) A review of space robotics technologies for on-orbit serving. Prog Aerosp Sci 68:1–26
Papadopoulos E, Dubowsky S (1991) On the nature of control algorithms for free-floating space manipulators. IEEE Trans Robot Autom 7(6):750–758
Nakamura Y, Mukherjee R (1991) Nonholonomic path planning of space robots via a bidirectional approach. IEEE Trans Robot Autom 7(4):500–514
Coverstone-Carroll VL, Wilkey NM (1995) Optimal control of a satellite-robot system using direct collocation with non-linear programming. Acta Astronaut 36(3):149–162
Yamada K, Yoshikawa S (1997) Feedback control of space robot attitude by cyclic arm motion. J Guid Control Dyn 20(4):715–720
Xu W, Liu Y, Liang B, Xu Y, Li C, Qiang W (2008) Non-holonomic path planning of a free-floating soace robotic system using genetic algorithms. Adv Robot 22(4):451–476
Xu W, Li C, Liang B, Xu Y, Liu Y, Qiang W (2009) Target berthing and base reorientation of free-floating space robotic system after capturing. Acta Astronaut 64(2–3):109–126
Sabatini M, Monti R, Gasbarri P, Palmerini GB (2013) Deployable space manipulator commanded by means of visual-based guidance and navigation. Acta Astronaut 83:27–43
Sabatini M, Monti R, Gasbarri P, Palmerini GB (2013) Adaptive and robust algorithms and tests for visual-based navigation of a space robotic manipulator. Acta Astronaut 83:65–84
Ulrich S, Sasiadek JZ, Barkana I (2012) Modeling and direct adaptive control of a flexible-joint manipulator. J Guid Control Dyn 35(1):25–39
Ulrich S, Sasiadek JZ, Barkana I (2014) Nonlinear adaptive output feedback control of flexible-joint space manipulators with joint stiffness uncertainties. J Guid Control Dyn 37(6):1961–1975
Yu X, Chen L (2015) Modeling and observer-based augmented adaptive control of flexible-joint free-floating space manipulators. Acta Astronaut 108:146–155
Yu X, Chen L (2015) Singular perturbation adaptive control and vibration suppression of free-flying flexible space manipulators. Proc Inst Mech Eng Part C J Mech Eng Sci 229(11):1989–1997
Sun J, Tian Q, Hu H (2016) Structural optimization of flexible components in a flexible multibody system modeled via ANCF. Mech Mach Theory 104:59–80
Liu X, Li H, Chen Y, Cai G (2015) Dynamics and control of space robot considering joint friction. Acta Astronaut 111:1–18
Liu X, Li H, Wang J, Cai G (2015) Dynamics analysis of flexible space robot with joint friction. Aerosp Sci Technol 47:164–176
Alepuz JP, Emami MR, Pomares J (2016) Direct image-based visual servoing of free-floating space manipulators. Aerosp Sci Technol 55:1–9
Zhang B, Liang B, Wang X, Li G, Chen Z, Zhu X (2016) Manipulability measure of dual-arm space robot and its application to design an optimal configuration. Acta Astronaut 128:322–329
Rybus T, Seweryn K, Sasiadek JZ (2017) Control system for free-floating space manipulator based on nonlinear model predictive control (NMPC). J Intell Robot Syst 85(3–4):491–509
Tortopidis I, Papadopoulos E (2007) On point-to-point motion planning for underactuated space manipulator systems. Robot Auton Syst 55(2):122–131
Boning P, Dubowsky S (2011) A kinematic approach to determining the optimal actuator sensor architecture for space robots. Int J Robot Res 30(9):1194–1204
Sabatini M, Gasbarri P, Monti R, Palmerini GB (2012) Vibration control of a flexible space manipulator during on orbit operations. Acta Astronaut 73:109–121
Liu X, Baoyin H, Ma X (2013) Optimal path planning of redundant free-floating revolute-jointed space manipulators with seven links. Multibody Syst Dyn 29(1):41–56
Jarzebowska E, Pietrak K (2014) Constrained mechanical systems modeling and control: a free-floating space manipulator case as a multi-constrained system. Robot Auton Syst 62(10):1353–1360
Nanos K, Papadopoulos E (2015) Avoiding dynamic singularities in Cartesian motions of free-floating space manipulators. IEEE Trans Aerosp Electron Syst 51(3):2305–2318
Fahroo F, Ross IM (2001) Costate estimation by a Legendre pseudospectral method. J Guid Control Dyn 24(2):270–277
Gong Q, Kang W, Ross IM (2006) A pseudospectral method for the optimal control of constrained feedback linearizable systems. IEEE Trans Autom Control 51(7):1115–1129
Fahroo F, Ross IM (2008) Pseudospectral methods for infinite-horizon nonlinear optimal control problems. J Guid Control Dyn 31(4):927–936
Garg D, Patterson M, Hager WW, Rao AV, Benson DA, Huntington GT (2010) A unified framework for the numerical solution of optimal control problems using pseudospectral methods. Automatica 46(11):1843–1851
Yan H, Ross IM, Alfriend KT (2007) Pseudospectral feedback control for three-axis magnetic attitude stabilization in elliptic orbits. J Guid Control Dyn 30(4):1107–1115
Ross IM, Sekhavat P, Fleming A, Gong Q (2008) Pseudospectral feedback control: Foundations, examples and experimental results for a new approach. J Guid Control Dyn 31(2):307–321
Tian B, Zong Q (2011) Optimal guidance for reentry vehicles based on indirect Legendre pseudospectral method. Acta Astronaut 68(7–8):1176–1184
Zhou H, Rahman T, Wang D, Chen W (2013) Onboard pseudospectral guidance for re-entry vehicle. Proc Inst Mech Eng Part G: J Aerosp Eng 228(11):1925–1936
Yang L, Zhou H, Chen W (2014) Application of linear Gauss pseudospectral method in model predictive control. Acta Astronaut 96:175–187
Tian B, Fan W, Su R, Zong Q (2015) Real-time trajectory and attitude coordination control for reusable launch vehicle in reentry phase. IEEE Trans Ind Electron 62(3):1639–1650
Shabana AA (2005) Dynamics of multibody systems, 3rd edn. Cambridge University Press, Cambridge
Gill PE, Murray W, Saunders MA (2005) SNOPT: an SQP algorithm for large-scale constrainted optimization. SIAM Rev 47(1):99–131
Bryson AE, Ho YC (1975) Applied optimal control. Hemisphere Publishing, New York