一種星-臂耦合系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)在軌辨識(shí)方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及機(jī)器人領(lǐng)域，特別涉及一種星-臂耦合系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)在軌辨識(shí)方 法和裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 星-臂耦合系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)在軌辨識(shí)具有明確的現(xiàn)實(shí)意義。對(duì)于進(jìn)行空間遙操 作任務(wù)的航天器，在軌飛行時(shí)的燃料消耗不可避免。隨著燃料的不斷消耗，星-臂耦合系統(tǒng) 的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，例如質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等，都會(huì)發(fā)生改變。因此，對(duì)于在軌操作的任務(wù)規(guī)劃以及 機(jī)械臂在線路徑規(guī)劃中，星-臂耦合系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)的變化量的獲取，是非常重要的輸 入條件。
[0003] 但是，現(xiàn)有技術(shù)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)在軌辨識(shí)方法，主要有三種：
[0004] (1)、借助推器施加外力，通過(guò)測(cè)量機(jī)器人各關(guān)節(jié)的加速度信號(hào)，求解牛頓-歐拉 運(yùn)動(dòng)方程來(lái)辨識(shí)動(dòng)力學(xué)參數(shù)。該方法的缺點(diǎn)在于：需要消耗燃料，而且不易獲得精確的關(guān)節(jié) 加速度及力矩信息。
[0005] (2)、不施加外力，僅驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)前后主星姿態(tài)和位置變 化，基于動(dòng)量和角動(dòng)量守恒定律來(lái)辨識(shí)動(dòng)力學(xué)參數(shù)。該方法的缺點(diǎn)在于：為求解所有的動(dòng)力 學(xué)參數(shù)，需要獲得足夠數(shù)量的方程，此時(shí)，必須要驅(qū)動(dòng)多個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)；且該方法除了需要獲 取角動(dòng)量之外，還要同時(shí)獲取線動(dòng)量，但是在現(xiàn)有技術(shù)水平下，衛(wèi)星線動(dòng)量的實(shí)時(shí)測(cè)量精度 遠(yuǎn)低于角動(dòng)量，達(dá)不到參數(shù)辨識(shí)所需精度。
[0006] (3)、通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真建立樣本庫(kù)，對(duì)多層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，采用訓(xùn)練好的 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)參數(shù)的在軌辨識(shí)。該方法的缺點(diǎn)在于：適應(yīng)性較差，只能在預(yù)先選定的 樣本空間參數(shù)范圍內(nèi)運(yùn)作，缺乏對(duì)不同關(guān)節(jié)工作空間的外推能力，難以用于機(jī)械臂末端載 荷未知的情況。另外，當(dāng)機(jī)器人關(guān)節(jié)自由度以及待辨識(shí)參數(shù)較多時(shí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)很難設(shè)計(jì)、訓(xùn) 練。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明提供一種星-臂耦合系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)在軌辨識(shí)方法和裝置，能夠克服現(xiàn) 有技術(shù)的缺陷，以實(shí)現(xiàn)主星動(dòng)力學(xué)參數(shù)在軌辨識(shí)。
[0008] 為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種星-臂耦合系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)在軌辨識(shí)方法 和裝置。
[0009] 所述方法包括：
[0010] 步驟1:建立與所述星-臂耦合系統(tǒng)在標(biāo)定燃料下的動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)模型；
[0011] 步驟2 :根據(jù)所述動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)模型，獲取所述星-臂耦合系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)的在軌 辨識(shí)模型；
[0012] 步驟3 :獲取所述星-臂耦合系統(tǒng)的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，以及主星運(yùn) 動(dòng)狀態(tài)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)；
[0013] 步驟4 :設(shè)定一組動(dòng)力學(xué)參數(shù)的測(cè)試值，利用所述測(cè)試值和所述機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié) 的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，結(jié)合所述在軌辨識(shí)模型，得到主星運(yùn)動(dòng)狀態(tài)模擬數(shù)據(jù)；
[0014] 步驟5 :將所述主星運(yùn)動(dòng)狀態(tài)模擬數(shù)據(jù)和所述主星運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較， 根據(jù)比較結(jié)果，對(duì)所述動(dòng)力學(xué)參數(shù)的測(cè)試值進(jìn)行迭代優(yōu)化，得到所述動(dòng)力學(xué)參數(shù)的辨識(shí)值。
[0015] 進(jìn)一步地，所述動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)模型為：
[0016]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種星-臂耦合系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)在軌辨識(shí)方法，其特征在于，包括： 步驟1:建立與所述星-臂耦合系統(tǒng)在標(biāo)定燃料下的動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)模型； 步驟2 :根據(jù)所述動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)模型，獲取所述星-臂耦合系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)的在軌辨識(shí) 模型； 步驟3 :獲取所述星-臂耦合系統(tǒng)的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，以及主星運(yùn)動(dòng)狀 態(tài)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)； 步驟4 :設(shè)定一組動(dòng)力學(xué)參數(shù)的測(cè)試值，利用所述測(cè)試值和所述機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的運(yùn) 動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，結(jié)合所述在軌辨識(shí)模型，得到主星運(yùn)動(dòng)狀態(tài)模擬數(shù)據(jù)； 步驟5 :將所述主星運(yùn)動(dòng)狀態(tài)模擬數(shù)據(jù)和所述主星運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，根據(jù) 比較結(jié)果，對(duì)所述動(dòng)力學(xué)參數(shù)的測(cè)試值進(jìn)行迭代優(yōu)化，得到所述動(dòng)力學(xué)參數(shù)的辨識(shí)值。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)模型為：
其中，所述星-臂耦合系統(tǒng)的主星的廣義雅克比矩陣I為：
所述星-臂耦合系統(tǒng)的機(jī)械臂的廣義雅克比矩陣t為：
為主星姿態(tài)角速度，
為機(jī)械臂關(guān)節(jié)角速度，U為慣性坐標(biāo)系下的初 始角動(dòng)量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述在軌辨識(shí)模型為：
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于， 步驟5中將所述主星運(yùn)動(dòng)狀態(tài)模擬數(shù)據(jù)和所述主星運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較為： D= (wx_w,x)2+(wy_w,y)2+(wz_w,y 其中，D為所述比較結(jié)果；w'x、w'y、w' z為所述主星運(yùn)動(dòng)狀態(tài)模擬數(shù)據(jù)的三個(gè)姿態(tài) 角速度分量;wx、Wy、wz為所述主星運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的三個(gè)姿態(tài)角速度分量； 步驟5中根據(jù)比較結(jié)果，對(duì)所述動(dòng)力學(xué)參數(shù)的測(cè)試值進(jìn)行迭代優(yōu)化，得到所述動(dòng)力學(xué) 參數(shù)的辨識(shí)值包括：采用改進(jìn)的粒子群優(yōu)選算法PSO對(duì)所述動(dòng)力學(xué)參數(shù)的測(cè)試值進(jìn)行優(yōu) 化，使D達(dá)到最小。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述采用改進(jìn)的粒子群優(yōu)選算法PSO對(duì)所 述動(dòng)力學(xué)參數(shù)的測(cè)試值進(jìn)行優(yōu)化，包括： 步驟51 :在所述動(dòng)力學(xué)參數(shù)的在軌辨識(shí)模型中的待辨識(shí)量所構(gòu)成的四維搜 索空間中，使用改進(jìn)的PSO的速度更新式，進(jìn)行各粒子的速度更新； 所述改進(jìn)的PSO的速度更新式為：vn(g+l) = WVn(g)+C^ [1xn(g)-xn(g)] +c2 n [gxn (g) -xn (g)] xn(g+l) = xn(g)+vn(g+l) 其中，學(xué)習(xí)因子Cl=c2 = 2 ;慣性權(quán)重《= 0. 9?0. 2 ;粒子鄰域采用空間鄰域，gp到 某粒子的歐式距離最小的Nnb個(gè)粒子組成該粒子的鄰域； 其中，x代表粒子位置，為矢量，每個(gè)粒子的位置初值即為所述N組動(dòng)力學(xué)參數(shù)的測(cè)試 值(#_,，'）；v代表粒子速度；下標(biāo)ne[1，N]為各粒子的標(biāo)號(hào)；N為粒子總數(shù)，N與所述 選取的動(dòng)力學(xué)參數(shù)的測(cè)試值的組數(shù)相等；參數(shù)g為迭代次數(shù)/x代表粒子個(gè)體歷史最優(yōu)位 置，在每一代中，各粒子最優(yōu)位置即為在當(dāng)前代之前，min(D)所對(duì)應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)的測(cè)試值 ; 4代表種群歷史最優(yōu)位置，即所有N個(gè)粒子在當(dāng)前代之前min⑶所對(duì)應(yīng)的動(dòng)力 學(xué)參數(shù)的測(cè)試; Nnb滿足：
其中，G為總迭代次數(shù)，g為當(dāng)前迭代次數(shù)，Knb為最終鄰域粒子比例； 步驟52 :每隔一段時(shí)間，對(duì)所有粒子進(jìn)行一次篩選，確定陷入局部最優(yōu)值的粒子群，并 將所述陷入局部最優(yōu)值的粒子群強(qiáng)制重啟到好的區(qū)間附近，以加速收斂； 其中，當(dāng)粒子群滿足下式gmodGre= 0 且n>KreN時(shí)， 則確定該粒子群為所述陷入局部最優(yōu)值的粒子群； 所述強(qiáng)制重啟為：xn (g) =s〇cxk (g)+r 其中，'為篩選間隔代數(shù)，K,，每次重啟粒子比例，e「°gXn(g)]為遞增排序的粒子n的個(gè)體歷史最優(yōu)誤差，n = 1，2,. ..，N; xn(g)為所述陷入局部最優(yōu)值的粒子群強(qiáng)制重啟后的位置；s<x；Xk(g)為表現(xiàn)最好的粒子k的鄰域歷史最優(yōu)位置，ke(1，2，...，N) ;r為一個(gè)小區(qū)間內(nèi)的四維隨機(jī)矢量，其取值區(qū)間 根據(jù)周?chē)Ｗ拥拿芏茸赃m應(yīng)地計(jì)算； 步驟53 :隨機(jī)獲取多個(gè)時(shí)刻分別對(duì)應(yīng)的主星運(yùn)動(dòng)狀態(tài)模擬數(shù)據(jù)和主星運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)測(cè) 數(shù)據(jù)，構(gòu)成一組數(shù)據(jù)序列，利用所述數(shù)據(jù)序列中不同時(shí)刻分別對(duì)應(yīng)的主星運(yùn)動(dòng)狀態(tài)模擬數(shù) 據(jù)和主星運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為參數(shù)，計(jì)算不同粒子的誤差； 其中，采用下式計(jì)算不同粒子的誤差：
其中，g= 1，2, ? ? ?，G。
6. -種星-臂耦合系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)在軌辨識(shí)裝置，其特征在于，所述裝置包括： 第一建模單元，用于建立與所述星-臂耦合系統(tǒng)在標(biāo)定燃料下的動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)模型； 第二建模單元，用于根據(jù)所述動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)模型，獲取所述星-臂耦合系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)參 數(shù)的在軌辨識(shí)模型； 第一數(shù)據(jù)獲取單元，用于獲取所述星-臂耦合系統(tǒng)的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù) 據(jù)，以及主星運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)； 第二數(shù)據(jù)獲取單元，用于設(shè)定一組動(dòng)力學(xué)參數(shù)的測(cè)試值，利用所述測(cè)試值和所述機(jī)械 臂運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，結(jié)合所述在軌辨識(shí)模型，得到主星運(yùn)動(dòng)狀態(tài)模擬數(shù)據(jù)； 優(yōu)化單元，用于將所述主星運(yùn)動(dòng)狀態(tài)模擬數(shù)據(jù)和所述主星運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比 較，根據(jù)比較結(jié)果，對(duì)所述動(dòng)力學(xué)參數(shù)的測(cè)試值進(jìn)行迭代優(yōu)化，得到所述動(dòng)力學(xué)參數(shù)的辨識(shí) 值。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的星-臂耦合系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)在軌辨識(shí)裝置，其特征在于，所 述動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)模型為：
其中，所述星-臂耦合系統(tǒng)的主星的廣義雅克比矩陣7；為：
所述星-臂耦合系統(tǒng)的機(jī)械臂的廣義雅克比矩陣I為：
為主星姿態(tài)角速度，
為機(jī)械臂關(guān)節(jié)角速度，U為慣性坐標(biāo)系下的初 始角動(dòng)量。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的星-臂耦合系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)在軌辨識(shí)裝置，其特征在于，所 述在軌辨識(shí)模型為：
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的星-臂耦合系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)在軌辨識(shí)裝置，其特征在于， 所述優(yōu)化單元包括：比較子單元和優(yōu)化子單元； 所述比較子單元，用于將所述主星運(yùn)動(dòng)狀態(tài)模擬數(shù)據(jù)和所述主星運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn) 行比較： D= (wx_w,x)2+(wy_w,y)2+(wz_w,y 其中，D為所述比較結(jié)果；w'x、w'y、w' z為所述主星運(yùn)動(dòng)狀態(tài)模擬數(shù)據(jù)的三個(gè)姿態(tài) 角速度分量;wx、Wy、wz為所述主星運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的三個(gè)姿態(tài)角速度分量； 所述優(yōu)化子單元，用于采用改進(jìn)的粒子群優(yōu)選算法PSO對(duì)所述動(dòng)力學(xué)參數(shù)的測(cè)試值進(jìn) 行優(yōu)化，使D達(dá)到最小。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種星-臂耦合系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)在軌辨識(shí)方法，包括：獲取機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，以及對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)的主星數(shù)據(jù)；所述主星數(shù)據(jù)為主星姿態(tài)角和姿態(tài)角速度數(shù)據(jù)；假定一組主星動(dòng)力學(xué)參數(shù)，將機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)和假定的主星動(dòng)力學(xué)參數(shù)輸入動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行模擬，比較動(dòng)力學(xué)模型輸出的主星數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)的主星數(shù)據(jù)的差別，然后對(duì)假定的主星動(dòng)力學(xué)參數(shù)采用改進(jìn)全局粒子群方法進(jìn)行優(yōu)化；所述主星動(dòng)力學(xué)參數(shù)包括主星質(zhì)量、主星質(zhì)心位置和主星轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)星-臂耦合系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)在軌辨識(shí)，且具有較強(qiáng)的泛用性。
【IPC分類(lèi)】G05B13-04
【公開(kāi)號(hào)】CN104570736
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410821647
【發(fā)明人】馬歡, 李文皓, 張珩
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所
【公開(kāi)日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2014年12月25日