摘要
针对参数不确定及存在外部扰动的情况下,载体位置不控、姿态受控的漂浮基空间机器人末端抓手轨迹跟踪控制问题,提出了一种基于扰动观测器的鲁棒控制方法.结合动量守恒定律,采用拉格朗日第二类方程建立了系统动力学方程.假设外部扰动是随时间变化的未知量,设计了扰动观测器估计由外部干扰和参数不确定构成的总扰动,并基于估计的总扰动引入扰动补偿项,保证了系统的控制性能.根据Lyapunov稳定性理论,证明了文中所提出控制律的稳定性.该控制律能补偿由于参数不确定和外部扰动引起的总扰动,从而提高了系统的轨迹跟踪性能.所提出的控制方案与传统鲁棒控制方案相比,具有控制器结构简单,不需要测量机械臂角加速度及基座的位置、移动速度、移动加速度,系统所需的传感器数量少等优点.最后通过数值仿真模拟,验证了上述控制方案的有效性.
关键词
空间机器人在空间站建设、航天器维护延寿、太空垃圾回收等任务中发挥重要作用,空间机器人具备在对人类生命构成巨大威胁的环境中执行任务的能力,降低了宇航员面临的风险,并提高了执行任务的效率.目前空间机器人的研究受到国内外学者的广泛重
Kostas
针对参数不确定及存在外部扰动的情况下,载体位置不控、姿态受控的漂浮基空间机器人末端抓手轨迹跟踪控制问题,提出了一种基于扰动观测器的鲁棒控制方法.本文重点研究了基于扰动观测器的控制方法.假设角度位移和角速度可用于反馈环节,设计了扰动观测器估计由外部干扰和参数不确定构成的总扰动,并基于估计的总扰动引入扰动补偿项,保证了系统的控制性能.最后通过计算机数值仿真,验证了该控制方法的有效性.
不失一般性,考虑做平面运动的空间机器人系统,结构如

图1 自由漂浮空间机器人系统
Fig.1 Free-floating space robot system
不计微弱的重力因素、载体姿态受控位置不控的漂浮基两杆空间机器人系统满足动量守恒定律,不失一般性,设系统初始动量为0,由拉格朗日方程,可推导出此类空间机器人的系统动力学方程:
(1) |
其中,是对称、正定质量矩阵,为包含科氏力及离心力的矢量,为系统广义坐标组成的列向量.为载体姿态角,为臂杆的关节转角,为载体姿态控制力矩及关节控制力矩构成的矢量,为载体姿态角干扰力矩及关节扰动力矩构成的扰动力矩列向量.
设空间机器人系统的输入参考信号为,分别为载体姿态角及臂杆关节转角的期望值,定义跟踪误差如
(2) |
理想状态下,标称空间机器人系统动力学方程如(3)式所示:
(3) |
其中,和分别为标称系统的对称、正定质量矩阵及包含科氏力及离心力的矢量,为标称控制力矩.由计算力矩
(4) |
其中,为对称正定矩阵,为对称正定矩阵.由(1),(3)两式定义系统总扰动项如(5)式所示:
(5) |
其中,控制力矩,为总扰动的估计值,由(4)式给出,为缩写,为缩写.
引入如

图2 基于扰动观测器的控制器
Fig.2 Disturbance observer-based controller
其中,表示具有不确定性的系统模型,为标称系统模型,为低通滤波器,表示外环控制器,为参考输入时域信号.通过选择合适的滤波器,则由外部扰动和系统模型不确定性组成的总扰动表示为:,项表示的估计值.
由(5)式定义的总扰动,结合(3)式标称系统动力学方程,则(1)式中的空间机器人动力学方程可写为下式:
(6) |
若实际系统的角加速度已知,测得系统的和,即可算出项.考虑实际系统角加速度难以直接测得,由替代有:
(7) |
其中,为对称正定矩阵,为设计给定值.到传递函数对应
设为的估计值,则
(8) |
计算系统总扰动估计值如下式:
(9) |
考虑如下滤波器,其中,
(10) |
则系统总扰动项表示如下:
(11) |
基于
(12) |

图3 空间机器人的控制器结构图
Fig.3 Structure of space robot controller
证明:对闭环系统在控制律(12)作用下的稳定性分析如下.
闭环系统的坐标可写为如下形式:
(13) |
其中,,.
则由
(14) |
其中,动力学表达
(15) |
其中.定义,,则跟踪误差:
(16) |
其中,,表示如下
, |
设为的解,选定如下函数作为Lyapunov函数:
(17) |
其中,,为常数,由
(18) |
其中,上式中,.定义,由和推导得对应和,对时间求导得
(19) |
其中,,
, |
. |
易证,存在,使成立,
(20) |
其中为任意大于0常数.
控制目标为对于给定充分小,时有成立. 由
以
为了验证所提出扰动观测器及鲁棒控制方案的有效性,设末端载荷实际值,末端载荷到惯量矩,载体姿态初始值°,载体姿态期望值,各关节初始值,,各关节角度期望值由运动雅可比矩阵反解末端期望轨迹给

图4 末端执行器实际轨迹与期望轨迹
Fig.4 The actual trajectory and expected trajectory of the end-effector

图5 载体姿态及关节角轨迹
Fig.5 The trajectory of carrier attitude and joint angular
本文采用基于扰动观测器的鲁棒控制方法,对具有外部扰动的不确定空间机器人系统的关节协调运动问题进行了研究.该控制方法能补偿由于参数不确定和外部扰动引起的总扰动,从而提高了系统的轨迹跟踪性能.
相比于Ohnishi所提出的扰动观测器,本文将参数不确定和外部扰动作为总扰动项进行观测,使所提出的控制器与传统鲁棒控制器相比,具有控制器结构简单,不需要测量机械臂角加速度及基座的位置、移动速度、移动加速度,系统所需的传感器数量少的优点,提高了系统的可靠性.数值仿真证明该方案能够有效地控制空间机器人系统,稳定地追踪惯性空间期望轨迹.本文进行了刚性模型的空间机器人外部扰动下的控制研究,因此,考虑系统柔性的扰动观测器控制问题是需要进一步研究的内容.
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