[发明专利]一种不依赖模型参数的空间机器人控制方法

摘要

本发明公开了一种不依赖模型参数的空间机器人控制方法，包含以下步骤：根据空间机器人的自由度数，确定控制通道个数，控制通道个数与自由度数相同；根据空间机器人的平台姿态角和角速度以及机械臂各臂杆的关节角和关节角速度，确定每个控制通道的自适应滑模控制器；根据空间机器人的高阶状态观测器，得到平台角速度以及机械臂各臂杆角速度的估计量以及空间机器人的内外扰动的估计量；利用平台角速度以及机械臂各臂杆角速度的估计量替换平台角速度以及机械臂各臂杆角速度的测量量，并更新自适应滑模控制器。本发明能够不依赖系统参数，提高空间机器人的精确控制。

主权项

1.一种不依赖模型参数的空间机器人控制方法，其特征在于包含以下步骤：(1)根据空间机器人的自由度数，确定控制通道个数，控制通道个数与自由度数相同；(2)根据空间机器人的平台姿态角和角速度以及机械臂各臂杆的关节角和关节角速度，确定步骤(1)中每个控制通道的自适应滑模控制器；实现步骤如下：(2.1)确定每个控制通道的自适应滑模控制器：其中，u表示自适应滑模控制器输出的控制量；x表示机器人平台姿态角或机械臂各臂杆的关节角，表示平台的角速度或机械臂各臂杆的角速度；λ>0；表示自适应切换增益；表示自适应切换增益的导数；K_D、λ和ε₀均为常数，其中K_D>0；κ>0，κ表示切换增益的自适应增益变化敏感系数；sat(·)为饱和函数，定义r为边界层厚度；(2.2)将空间机器人平台姿态运动、机械臂各个臂杆转动视为各个自由度独立的一维二阶系统，该一维二阶系统模型为：其中，x表示机器人平台姿态角或机械臂各臂杆的关节角；表示平台的角速度或机械臂各臂杆的角速度；表示平台的角加速度或机械臂各臂杆的角加速度；m₀表示空间机器人各运动自由度的广义质量；Δm表示空间机器人各运动自由度广义质量的不确定项；f_c＝um₀；f_d表示系统未知干扰力；表示系统的非线性部分；(2.3)将步骤(2.2)中各自由度独立的一维二阶系统模型，进行整理得到如下模型：其中，Δu表示空间机器人的内外扰动；(2.4)判断步骤(2.3)中求出的是否满足期望的平台的角加速度或机械臂各臂杆的角加速度，若满足，说明步骤(2.1)中自适应滑模控制器满足要求，若不满足，调整参数重新进行步骤(2.1)的设计，直至满足要求；(2.5)根据自适应滑模控制器输出的控制量，确定空间机器人真实控制力fc1：fc1＝Kdynamicsu其中，Kdynamics表示(m0+Δm)的估计值；(3)根据空间机器人的高阶状态观测器，得到平台角速度以及机械臂各臂杆角速度的估计量以及空间机器人的内外扰动的估计量；所述高阶状态观测器设计步骤为：(3.1)将整理成如下形式：其中x₁＝x，(3.2)设计高阶状态观测器：其中，x₁表示空间机器人的平台姿态角或机械臂各臂杆的关节角的测量量，为已知量；表示平台姿态角或机械臂各臂杆的关节角的估计量，表示的导数；表示平台角速度或机械臂各臂杆的关节角速度的估计量，表示的导数；表示观测器中间变量，表示的导数；χ₁表示中间变量；表示对空间机器人内外扰动的估计值；γ₁>0、γ₂>0和γ₃>0表示观测器参数；(3.3)通过选择合适的参数γ₁,γ₂,γ₃，可以使得估计值以及扰动估计值在有限时间内收敛到其真实值；(4)利用步骤(3)中的平台角速度以及机械臂各臂杆角速度的估计量替换步骤(2)中的平台角速度以及机械臂各臂杆角速度的测量量，并重复步骤(2)更新自适应滑模控制器。