柔性空间机械臂捕获目标后基于扩张状态观测器的运动、振动混合轨迹控制方案
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摘要
随着航天科技的发展,空间机器人系统能够替代人类完成重复性高的太空任务,在探索太空的过程中起着不可或缺的作用[1-3]。空间机器人技术作为太空探索的关键性部分,其理论及研究仍在不断发展中,由于发射技术和发射费用上的原因,在实际应用当中,空间机器人的机械臂往往质量较轻、惯量较小,因此空间机器人的机械臂具有柔性,这使得机械臂在捕获操作过程中容易产生高频振动。在太空无重力环境下,空间机器人系统表现出非完整动力学约束,各部分在运动过程中还存在强烈的耦合作用,捕获操作过程存在动量、动量矩与能量传递变化,这些情况增加了系统控制设计的难度。针对柔性杆组成的空间机器人系统捕获操作后的关节空间运动控制及柔性振动抑制问题,首先结合多刚体动力学理论及假设模态法,建立了空间机器人的系统及目标的动力学模型。利用运动几何关系及动量定理,可最终获得混合体系统的动力学方程。之后,对于完成捕获操作后的混合体系统,利用虚拟力概念生成表征的柔性运动及刚性运动的混合轨迹,设计了基于扩张状态观测器(ESO)的载体姿态、关节运动及柔性振动抑制的一体化控制方案,利用扩张状态观测器对模型不确定部分进行动态估计和补偿,并利用状态反馈控制保证了系统的控制性能。传统的奇异摄动法将组合体系统的动力学模型分解为慢变和快变两子系统,分别设计刚性运动镇定控制算法和弹性振动抑制控制算法形成复合控制方案[4-5],两种控制算法之间存在一定的相互干扰影响。所提控制方案与传统基于奇异摂动法的控制方案相比,具有控制器结构简单,计算量小,有利于在线实施的优点。最后通过数值仿真实验模拟、分析了碰撞冲击响应,并验证了上述镇定运动控制方案的有效性。
引文