[发明专利]一种基于控制周期自适应时钟同步的加速度最优空间机器人在线轨迹规划方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于控制周期自适应时钟同步的加速度最优空间机器人在线轨迹规划方法。

背景技术

随着各国航天技术的发展，空间机器人在未来空间操作中的作用日益重要。空间机器人除了对硬件系统的可靠性提出严苛的要求外，对其规划与控制方法也提出了很高的要求。一般空间机器人的控制与规划相对于传统的地面机器人的难点主要在于：1)空间机器人存在很强的结构柔性，并且空间机器人载体(或基座)的自由漂浮特性使得空间机器人在运动中不仅会产生柔性抖动，而且对其载体的扰动会引起载体位姿的明显变化，从而严重影响空间机器人的位姿精度。2)空间机器人的中央控制器受其处理器运算能力及与机器人关节间通讯带宽的限制，空间机器人的控制需要采用分布式控制结构，即分为笛卡尔层和关节层，且两层具有独立的时钟周期。上述的两个难点使得空间机器人的控制与规划与地面机器人存在明显的区别。首先，空间机器人的中央控制器与机器人关节的通讯周期ΔT一般较长(如几十毫秒或几百毫秒)，即中央控制器每隔ΔT为机器人关节提供运行的期望位置信息等，而为了保证机器人关节运动控制的稳定性，机器人关节控制器的周期Δt一般较小(如几毫秒)，因此需要对中央控制器规划的期望位置信息进行关节层的再次规划。由于中央控制器和关节控制器采用2个不同时钟，因此二者需要同步，如图1所示，空间机器人的输入指令可由地面工作站通过两种输入方式提供：其一为地面预编程指令输入，即将地面离线规划完成的操作数据通过特定指令上注到在轨机器人控制器，空间机器人通过指定的时间序列完成任务操作；其二为地面遥操作设备的指令输入，即地面遥操作人员通过遥操作杆生成机器人轨迹序列，通过天地信号传输通道传输给在轨机器人控制器，完成任务操作。机器人中央控制器将地面轨迹插补为间隔ΔT的轨迹序列，每ΔT发送给机器人关节控制器，关节控制器根据本发明所提出的方法将中央控制器ΔT间隔的指令序列规划为Δt间隔的轨迹序列，输入给关节运动控制器，驱动机器人运动。其次，空间机器人关节运动的加速度会对机器人运动的平稳性产生严重影响，这也需要在空间机器人的规划中加以考虑。

发明内容

本发明的目的是解决空间机器人控制中由于上下位机的时钟不同步及关节层轨迹加速度的剧烈变化引起的机器人运动过程中的不平稳问题，而提供了一种基于控制周期自适应时钟同步的加速度最优空间机器人在线轨迹规划方法，

一种基于控制周期自适应时钟同步的加速度最优空间机器人在线轨迹规划方法，包括以下步骤：

步骤一、建立在一个轨迹段规划周期内具有最优加速度的空间机器人关节轨迹曲线位置、速度及加速度的数学模型，并得到关节轨迹方程；

步骤二、依据关节轨迹插补的连续性条件，求取步骤一中关节轨迹方程中的参数，并进行关节空间轨迹的连续规划；

步骤三、在关节空间轨迹的连续规划的基础上进行同步控制，即完成了一种基于控制周期自适应时钟同步的加速度最优空间机器人在线轨迹规划方法。

发明效果：

该方法保证了机器人关节加速度在整个插补周期内的最优化，通过所提出的关节控制周期自适应时钟同步机制，消除了由于上下位机的时钟不同步所导致的关节层轨迹抖动问题，大大改善了空间机器人的轨迹跟踪性能。

1、基于该方法可以实现机器人关节运动轨迹位置、速度的连续性，加速度在整个插补周期内的最优规划；

2、该方法解决了由于上下位机时钟不同步所引起的关节期望位置信息丢失而导致的关节轨迹抖动问题；

3、基于该方法设计的时钟同步机制及轨迹规划方法具有很小的计算量，方便空间机器人嵌入式系统的应用；

4、基于该方法设计的空间机器人运动轨迹可以在一定程度上降低空间机器人运行的柔性抖动，提高空间机器人末端的跟踪精度。

附图说明

图1是背景技术中的空间机器人在轨操作的控制流程示意图；

图2是步骤一和步骤二中的加速度最优的关节轨迹插补原理图；

图3是步骤三中控制周期自适应时钟同步的加速度最优轨迹规划算法执行时序及流程图；

图4是仿真对比试验中空间机器人中央控制器规划的250ms间隔的关节轨迹；其中，实线为关节期望角位置，虚线为关节期望角速度，点线为关节期望角加速度；

图5是仿真对比试验中无时钟同步控制的传统轨迹规划方法得到的关节层2ms间隔的关节轨迹，其中，实线为关节期望角位置，虚线为关节期望角速度，点线为关节期望角加速度；