基于性能約束的空間機械臂軌跡跟蹤控制.pdf

1、機器人技術的發(fā)展推動了機械臂在航天領域的應用,同時在軌服務等航天活動的日益增多也客觀上對空間機械臂的應用提出了更多的要求。對空間機械臂而言,當捕獲或抓取非合作目標時,其整個系統(tǒng)的運動學和動力學都會發(fā)生變化。為此,本文對空間機械臂建模及魯棒控制問題進行研究,具體內(nèi)容如下。
　　首先采用廣義雅可比矩陣和拉格朗日方程建立了空間機械臂的運動學和動力學模型,闡述了虛擬機械臂和動力學等價機械臂的建模思想。并在此基礎上深入分析了其運動學和動力學

2、特性,同時針對自由漂浮工作模式下空間機械臂的姿態(tài)干擾特性和非完整特性進行了仿真說明。
　　針對存在系統(tǒng)不確定性和外界干擾的空間機械臂軌跡跟蹤魯棒控制問題,本文首先考慮自由飛行工作模式下的空間機械臂,利用模型的可線性化特點,設計逆雅可比自適應控制律,實現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)軌跡跟蹤誤差漸近穩(wěn)定控制,同時保證位置和速率跟蹤誤差2范數(shù)低于預設值,并應用耗散不等式證明閉環(huán)系統(tǒng)對外部干擾具有2小增益抑制能力。而后考慮自由漂浮工作模式下空間機械臂模型的不

3、可線性化特點,采用神經(jīng)網(wǎng)絡學習算法來逼近模型中的非線性不確定項,設計時變增益濾波器和反步控制律,保證閉環(huán)系統(tǒng)軌跡跟蹤誤差漸近穩(wěn)定和對外部干擾具有2小增益抑制能力。
　　考慮所設計的逆雅可比魯棒控制器可能存在奇異問題,提出基于控制的規(guī)避方法。首先分析自由飛行和自由漂浮模式下的機械臂關節(jié)空間奇異與非奇異構型,然后將其映射至機械臂任務空間,獲得任務空間內(nèi)奇異與非奇異子空間,如此若可保證在系統(tǒng)不確定性和外界干擾下閉環(huán)系統(tǒng)漸進跟蹤參考軌跡的

4、同時,末端執(zhí)行器始終位于非奇異子空間內(nèi),則可有效規(guī)避雅可比運動學奇異現(xiàn)象。為此本文提出了一種基于控制變換的方法來解決此問題,通過設計非線性時變坐標變換,將對跟蹤誤差變量時域響應要求轉化為對變換后誤差向量的穩(wěn)定性要求,并通過設計反步自適應控制律來使變換后誤差向量滿足最終一致有界穩(wěn)定,這樣通過反變換得到控制律就可保證原閉環(huán)系統(tǒng)運動時控制誤差變量滿足預設的性能約束,從而滿足雅可比運動學奇異規(guī)避的要求。
　　最后采用本文中的建模方法,建立