自由漂浮柔性空间机器人轨迹跟踪控制研究.pdfVIP

Classified Index: TP242.3 U.D.C: 681.5 Dissertation for the Master Degree in Engineering RESEARCH ON TRAJECTORY TRACKING CONTROL FOR FREE-FLOATING FLEXIBLE SPACE ROBOT Candidate ： Zhai Yanxia Supervisor： Associate Prof. Hu Qinglei Academic Degree Applied for ： Master of Engineering Speciality： Control Science and Engineering Affiliation ： Dept. of Control Science and Engineering Date of Defence ： June, 2011 Degree-Conferring-Institution ： Harbin Institute of Technology 摘 要 摘 要 随着机器人技术的发展和空间探索的深入，空间机器人在空间资源开发中 的应用越来越频繁。复杂的航天任务和恶劣的航天环境要求空间机器人具有轻 质、高速、高效等特点的同时，需要对外界扰动等因素具有良好的鲁棒性。此 外，由于执行机构本身的限制会导致其输出的饱和受限以及空间机器人轻质所 带来的柔性振动等，也是空间机器人控制器设计时不得不考虑的实际问题。为 此，本文考虑外界扰动以及输入饱和非线性等因素，研究了一种自由漂浮柔性 空间机器人系统的轨迹跟踪与主动振动抑制问题。 本文首先根据柔性多体动力学理论，采用 Lagrange 方程和假设模态法建立 了自由漂浮柔性空间机器人系统的动力学方程，并且分析了柔性空间机器人系 统刚性运动和柔性振动的相互耦合关系，将柔性振动作为刚性运动的扰动，刚 性运动作为柔性振动的激发，得到了刚柔解耦的动力学方程。 针对自由漂浮柔性空间机器人系统的关节空间轨迹跟踪问题，提出了一种 基于自适应终端滑模的鲁棒控制方法，实现闭环系统对期望轨迹的有限时间渐 近跟踪以及对扰动鲁棒性。为避免在自适应律辨识过程中扰动参数过大而导致 控制过大甚至系统失稳，改进自适应律，在其中增加负反馈项。为了克服终端 滑模控制方法中存在的奇异性及抖振问题，设计非奇异终端滑模面，提出了一 种自适应非奇异终端滑模控制方法，并采用饱和函数替代符号函数来削弱抖振。 进一步考虑系统载体干扰以及削弱抖振带来的鲁棒性变差等问题，引入条件积 分改进了非奇异终端滑模面，从而保证了 自适应非奇异终端滑模控制方法对扰 动的良好鲁棒性。仿真结果表明上述所设计的控制方法能够在实现系统关节空 间轨迹跟踪的同时，对系统柔性振动扰动及载体扰动具有很好的鲁棒性。 针对系统实际存在的执行机构饱和问题，深入研究系统输入饱和条件下的 轨迹跟踪与振动抑制问题，提出一种基于输入成型和自适应状态反馈的复合控 制方法。该方法应用输入成型技术，设计鲁棒输入成型器抑制柔性振动；基于 双曲正切函数的有界性与自适应技术设计控制器，满足输入饱和条件的同时， 实现对期望轨迹的跟踪。仿真结果表明，所设计复合控制算法能够在有效抑制 柔性振动，同时在满足输入饱和条件下可以快速、精确的跟踪期望轨迹。 关键词：柔性空间机器人；轨迹跟踪；终端滑模；输入饱和；主动振动抑制； 输入成型 - I -