[发明专利]基于采样输出的空间机器人位置与姿态自抗扰控制方法

权利要求书

1.基于采样输出的空间机器人位置与姿态自抗扰控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：构建微重力环境下空间机器人系统动力学模型；具体方法如下：

建立地理坐标系Ox_ny_nz_n；x、y、z分别指空间机器人在Ox_n、Oy_n和Oz_n方向的位置，n为地理坐标系的标注；建立空间机器人体坐标系Ox_by_bz_b，b为体坐标系的标注；根据Ox_ny_nz_n与Ox_by_bz_b的关系，建立如下等式：

其中，表示空间机器人在地理坐标系下的速度向量，υ＝[u,v,w,p,q,r]^T，J(η)为运动系数矩阵，θ、ψ分别指空间机器人的横滚角、俯仰角以及偏航角，u、v、w为空间机器人线速度向量，p、q、r为空间机器人角速度向量，T表示矩阵转置；

构建空间机器人系统在体坐标系下的动力学模型：

其中，τ为系统控制输入，M为惯性质量矩阵，C(υ)为科里奥利力矩阵，D(υ)为机器人在水中受到的黏性阻力，g(η)为负浮力系数，为空间机器人在体坐标系下的加速度向量；

联立式(1)和(2)，得空间机器人系统六自由度动力学模型：

其中，表示空间机器人在地理坐标系下的加速度向量；

M_η(η)＝J^-T(η)MJ^-1(η)

D_η(η,υ)＝J^-T(η)D(υ)J^-1(η)，g_η(η)＝J^-T(η)g(η)；

设η＝x₁(t)和并考虑测量信号采样输出问题，将(3)式改写为如下状态空间表达式：

其中，X(t)＝[x₁(t),x₂(t)]^T，X(t)∈R¹²，R¹²表示12维实向量空间，τ(t)∈R⁶，R⁶表示6维实向量空间，系统可调参数B₁＝[0_6×6,B]^T∈R^12×6，B＝diag{b₁,b₂,b₃,b₄,b₅,b₆}，0_6×6表示6×6维零矩阵，R^12×6表示12×6维实矩阵空间，F(t)∈R⁶为系统中耦合以及外部干扰带来的非线性不确定项，其具体表达式为：

其中，y(t_k)为系统的采样输出，t_k为系统的采样时刻，A₁、C₁为系统系数矩阵，其具体表示分别如下所示：

C₁＝[0_6×6,I_6×6]^T

其中，I_6×6表示6×6维单位矩阵；

步骤2：设计跟踪微分器；具体如下：

设计跟踪微分器如下所示：

其中，η_d(t)为空间机器人位置和姿态的期望值并作为跟踪微分器的输入信号，v₁(t)和v₂(t)为跟踪微分器的输出信号，并且v₁(t)是η_d(t)的跟踪信号，v₂(t)是η_d(t)的近似微分信号，r₀和h分别为跟踪微分器的速度因子和滤波因子，fhan(v₁(t)-η_d(t),v₂(t),r₀,h)的表达式为：

忽略跟踪微分器对信号造成的误差，即假设η_d(t)＝v₁(t)，

步骤3：设计连续-离散扩张状态观测器，估计系统状态和非线性不确定项；具体如下：

针对采样输出的空间机器人系统(4)设计连续-离散扩张状态观测器形式如下所示：

其中，Z(t)＝[z₁(t),z₂(t),z₃(t)]^T为连续-离散扩张状态观测器的输出状态，Z(t)∈R¹⁸，R¹⁸表示18为维实向量空间，Λ＝diag{εI_6×6,I_6×6,ε^-1I_6×6}为连续-离散扩张状态观测器的可调增益，并且0＜ε＜1，ξ₁(t)∈R⁶为两个采样时刻间的预测值，并且在每个采样时刻该预测值更新一次；

表示关于的函数，i＝1,2,3；系统矩阵A₂和B₂分别为：

该连续-离散扩张状态观测器(7)是一个动态过程，只用了空间机器人系统(4)中的控制输入τ(t)和采样输出x₁(t_k+1)的信息；

步骤4：复合控制器设计。