建立了空间机器人控制系统的硬件仿真平台。研究了空间机器人基于手眼视觉的控制问题，建立了系统关键部件的模拟设备。仿真平台由中央控制器、关节模拟器、手眼模拟器、动力学/运动学仿真计算机和三维动画显示计算机组成。基于该平台，对空间机器人控制特性和仿真过程中的延时环节进行了研究。系统自主捕获仿真试验结果表明，所采用的运动控制算法能够稳定收敛于目标，仿真平台能够较好地完成对实际机器人系统控制过程的模拟测试及系统控制算法的验证。
史国振,孙汉旭,贾庆轩,等:空间机器人控制系统硬件仿真平台的硏究 2008,44(12)7 关节电机三环控制主要是从外向内设计的位置环APR U0(s) G(s) 速度环ASR和电流环ACR三闭环调节器,三闭环控制维持系 统运行时的速度稳定性、电流快速性和位置准确性。其总体控 制模型如图4所示。为了使机械于系统具有良好的静、动态性 图5系统运动控制框图 能,三闭环控制系统的三个调节器均采用PI调节器。其中内环 是电流环,用于输出力矩的快速响应、过流保护及改善电机的间了之后,才能返回到调节器。构成的闭环系统传递函数为: 堵转性能;中间环是速度环,提高系统的快速响应能力和抗干 Y(s) G (s)G(s)e (6) 扰能力;外环是位置环,实现对位置指令的精确定位和实时跟 R(s)1+G S Go(s)e 踪。PI调节器的传递函数是: 由式(4)可以看出,系统中出现了纯时滞环节,这将严重影 Wn(s)=K.(1+1) (4)响机械手系统控制的实时性和稳定性。在此采用基于Smih预 估器的优化补偿方法来改进系统的控制,控制流程如下 式中:K比例系数,T积分常数。其输出信号同时成比例地反映 U(s) 输入误差信号及其积分,即 +()+G(s) Go(s)e >Y(s) K u(t)=Ke(t)+ e(t)dr X G(s) 式中:e(t)为P调节器的偏差输入,即理想给定值与反馈值 Y'(s) 之差。 图6改进后系统运动控制框图 理想 理想 角度 速度 电流 其中G(s)为系统补偿函数,取G(s)=G0(s)(1-e),则 →APR ASRF+ MACR MOTOR 实际电流 输出 系统的控制传递函数为 力矩 实际速度 Y(s) G(sGo(s)e 实际角度 动力学 R(s) 1+G(sG.(s (7) 计算模块 图4关节电机控制模型 式(7)中消除了特征方程中的延时r项,因此经过G(s) 佔计补偿后,消除了纯滞后对系统控制品质的影响,系统的运 3.4视觉模拟器 行将会变得稳定可控制。 视觉模拟器为系统提供视觉反馈,由DSP仿真板及控制 在具体进行反馈函数的估计时采取如下措施:根据第n 软件组成。视觉模拟器根据动力学运动学仿真计算机传送过(当前)周期查询得到的关节角度q和角速度n,估计出控制 来的当前空间目标的位姿信息、实际关节角度及载体位姿数据 计算出目标相对于机械臂工具坐标系的位姿信息,并在加入相 数据下发时各关节的位姿角度q'=q+…·(丌1+△t)及视觉模拟器 应的噪声扰动后将该信息发送给中央控制器用于下一步的运计算目标信息时的关节角度qe=-72,在假定r1+r2时间 动规划。 内目标与机器人基座相对运动可以忽略的情况下,可以很容易 3.5三维动画显示计算机 得到目标相对关节角度为q时的末端位姿信息△P。基于新 三维动画显示计算机用于实现仿真流程管理、及实时仿真的△P和q调用运动规划算法完成运动规划。△为在中央控 图形和数据显示。试验软件采用C+编写,并应用 OpengL绘制器操作系统下算法运算时间的误差,可以根据具体的系统负 制机器人,达到三维图形仿真的目的 荷确定,可以取0值 3.6目标器模拟控制仿真计算机 以上为默认目标与机器人基座间相对运动在一个周期内 目标器模拟控制仿真计算机用于模拟空间目标的相对残可以忽略。如果该速度不可以忽略,可根据前后两个周期的视 余运动,并将目标的位姿信息反馈给视觉模拟器。 觉上传目标位姿数据P1和P,估计目标与机器人基座间的相 对运动速度,进而估计当前目标相对于基座坐标系的位姿 系统分析及优化 系统仿真运行时,中央控制器在第n周期开始通过状态查5仿真研究 询得到关节实际角度和目标信息,并据此进行运动规划。但由 为了对所搭建的仿真系统进行验证,以六自由度机械臂抓 于从査询关节角度到规划得到运动数据并发送给关节之间存取空间固定目标进行仿真试验,验证整个仿真系统执行仿真任 在一个延时r1(约100ms,同真实星上规划一致),使得运动规务的能力及系统建模的有效性。图7为捕获过程三维仿真图。 划时的起始位置同关节实际的运动开始位置之间存在一个误 差Δθ。同时视觉模拟器在计算目标信息时有一个计算时间,因 此第n周期查询得到的目标信息实际上是在此时刻之前r (约110ms,类似于星上视觉延迟)时间的目标信息。系统基于 位置的视觉伺服框图如图5所示。 UX 图5中R(s)为空间机械手系统姿态输入函数;G(s)为系 统的规划算法及系统控制传递函数;U。(s)为系统调节的输出。 (a)捕获初始状态 (b)捕获完成状态 由图5中可以看出受到调节作用之后的被控量要经过滞后时 图7捕获过程三维仿真图 82008,44(12) Computer Engineering and Applications计算机工程与应用 初始时,捕获目标位于机械臂末端手爪的正下方。杋械臂地满足捕获要求。整个硬件仿真平台很好地模拟了星上机械臂 捕获目标星体的理想规划角度与实际运动角度曲线如图8所捕获目标的通讯情况和实际捕获时延情况。 示(捕获过程中,关节1、4、6角度接近0,此处仅给出关节2、3、 5运动曲线)。系统完成任务后,机槭臂载体位置变化曲线如图 P Os x 300 P 9所示,载体相对惯性系最大位移17mm。 250 ---Pos z 200 理想角度 1 -135 …实际角度 100 50 140 145 03040506070 150 图10载体质心运动情况 010203040 6结论 (a)关节2角度曲线 本文对空间机器人仿真试验平台的组成和功能进行了介 88.0 绍,建立了基于于眼相机的机械臂运动控制算法和关节电机闭 环控制模型。对仿真过程中的延时环节进行了分析,并采用 87.5 Smith预估的方法对系统运动规划延时进行了补偿。系统的自 87.0 主捕获仿真试验测试结果表明系统所采用的运动控制算法能 够稳定收敛于目标,该仿真平台能够完成空间杋械臂捕获目标 的运动仿真试验,同时实现对整个系统的通讯能力的检测。系 86.0 理想角度 实际角度 统运行稳定,各组成部分之间的通讯流畅,各组成部分算法满 足实时测试任务的要求。 (b)关节3角度曲线 参考文献: 154 柳长安,洪炳熔,王鸿鹏.自由飞行空间机器人地面试验平台硬件系 统高技术通讯,2001,11:74-76 148 2 Kindel R J Motion planning for free-flying robots in dynamic and uncertain environments D). Department of Aeronautics and Astronautics of Stanford University, 2001 3 Murotsu Y, Tsujio S, Mitsuya A, et al. An experimental system for 理想角度 实际角度 free-flying space robots and its system identification[ C]/proceeding of Alaa Guidance, Navigation and Control Conference, New 0 010203040506070 T/ leans,LA,l991:1899-1909 c)关节5角度曲线 4 Churchill P, Akin D, Howard R Neutral buoyancy simulation of 图8关节运动角度曲线 space telerobotics operations(J).Advances in the Astronautical Sciences, 1993:149-150 [5 Sato Y, Ejiri A, lida Y,et al. Micro-G emulation system using con- stant-tension suspension for a space manipulator C/proceeding of 10 the 1991 IEEE International Conference on Robotics and Autom tion. Sacramento. 1991: 1893-1990 6 Fujii H, Yoneoka H, Uchiyama K Experiments on cooperative motion of a space robot(Cy/Proceedings of the 1993 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and System, Yokohama, Japan 10203040506070 1993:2155-2162. T/ [7 Watanabe Y, Araki K, Nakamura Y Microgravity expertiments for a 图9手爪与目标的相对位置 visual feedback control of a space robot capturing a target [C]// Proceeding of the 1998 IEEE/RSJ International Conference on In- 从图8中可看出,关节实际输出角度始终跟随理想规划角 telligent Robots and Systems, Victoria, B C, Canada, 1998 1993-1998 度,最大跟踪误差04,仿真终了,机械手末端收敛于目标,如81 wata t, Murakami h, Adama K,etal. ltaneous control experi 图10所示,机械臂末端手爪坐标系与捕获目标手柄坐标系之 ment of orientation and arm position of space robot using drop 间的相对位置误差(mm):(2.900,0.540,2.780),相对姿态角 shaft[J]. Transactions of the Japan Society for Aeronautical and (wYX欧拉角()):(-0.020,0.200,0.000),捕获算法能够很好 Space Sciences, 1998, 41(5): 46-53.