[发明专利]柔性铰空间站机械臂的鲁棒自适应滑模控制方法

说明书

本发明公开了柔性铰空间站机械臂鲁棒自适应滑模控制方法。本发明首先由拉格朗日第二类方法并结合系统动量、动量矩守恒关系，分析、建立了柔性铰空间站机械臂系统载体位置、姿态均不受控的系统动力学模型；而后，针对空间站机械臂实际应用中各关节铰具有较强柔性的实际情况，引入了关节柔性补偿控制器并结合奇异摄动理论的双时间刻度分解，导出了适用于控制系统设计的奇异摄动数学模型。进而，利用该模型，将柔性铰空间站机械臂系统分解成两个独立的快慢变子系统，针对慢变子系统设计鲁棒自适应滑模控制，针对快变子系统设计了力矩微分反馈控制器。以达到既消除柔性铰柔性给空间站机械臂的定位精度、稳定性带来的负面影响又能够有效地克服传统滑模控制的抖振问题的控制目标。

技术领域

本发明属于空间站机械臂控制技术领域。具体涉及一种柔性铰空间站机械臂鲁棒自适应滑模控制方法。

背景技术

空间站机械臂主要工作于微重力的太空环境中，并能较好地协助(或替代)宇航员完成各种极具危险的空间作业任务，已成为人类深空探索的重要载体工具。目前世界各国均在空间站机械臂的研究上投入了大量的人力、物力和财力，并因此取得了不少的科研成果。不过纵观上述研究成果，我们不难发现：其中的绝大部分工作均局限于刚性关节空间机器人的研究，而对于柔性关节空间站机械臂的研究较少。空间站机械臂的柔性化趋势除了臂杆柔性外，关节铰的柔性也是机械臂控制系统研究中重要的课题之一。与传统刚性空间站机械臂相比，关节柔性的空间站机械臂的控制难点在于其机械臂各关节铰的驱动器输出转角与机械臂实际的转角因关节柔性而表现出来的不同步性。这相当于在驱动装置和被驱动装置中设置了力矩滤波器，严重降低了机器人系统的带宽，成为机器人性能的瓶颈。研究和实践也表明，关节柔性已给空间站机械臂的定位精度、稳定性带来负面的影响。因此控制器的设计需要考虑关节柔性的影响。

有关具有柔性铰的机器人控制方法在相关专利CN102566417和CN102591207中已披露。但是这些控制方法，多仅涉及地面固定基座的柔性关节机器人的控制方法，而对载体空间站基座漂浮情况下的的柔性铰空间站机械臂控制方法，则是现有控制技术中有待解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种柔性铰空间站机械臂鲁棒自适应滑模控制方法，以达到既消除柔性铰柔性给空间站机械臂的定位精度、稳定性带来的负面影响又能够有效地克服传统滑模控制的抖振问题的控制目标。

本发明的技术解决方案的原理是：首先，由拉格朗日第二类方法并结合系统动量、动量矩守恒关系，分析、建立了柔性铰空间站机械臂系统载体位置、姿态均不受控的系统动力学模型；而后，针对空间站机械臂实际应用中各关节铰具有较强柔性的实际情况，引入了关节柔性补偿控制器并结合奇异摄动理论的双时间刻度分解，导出了适用于控制系统设计的奇异摄动数学模型。进而，利用该模型，将柔性铰空间站机械臂系统分解成两个独立的快慢变子系统，针对慢变子系统设计鲁棒自适应滑模控制，针对快变子系统设计了力矩微分反馈控制器。以达到既消除柔性铰柔性给空间站机械臂的定位精度、稳定性带来的负面影响又能够有效地克服传统滑模控制的抖振问题的控制目标。

本发明的柔性铰空间站机械臂鲁棒自适应滑模控制方法，包括如下步骤：

步骤A：建立柔性铰空间站机械臂的动力学模型

利用拉格朗日法，可解得载体位置、姿态均不受控的柔性铰空间站机械臂系统完全驱动形式的动力学方程

（1）

（2）

（3）

其中，为空间站机械臂的正定、对称惯性矩阵；为包含科氏力、离心力的2阶列向量；为载体姿态及关节角组成的列向量；；为关节电机转角列向量，为关节电机的正定、对称转动惯量矩阵。为关节电机的实际驱动力矩列向量，为系统的扭转刚度矩阵。

步骤B：建立基于关节柔性补偿的控制系统数学模型