自由漂浮空间机器人关节空间轨迹跟踪控制

论文摘要

随着人们空间活动的增加,空间机器人将发挥着重要的作用,对空间机器人的研究也成为各国航空航天领域的热点问题。空间机器人在自由漂浮工作方式下能够节省能源,延长在轨寿命,有着广阔的应用背景。正是在这种背景下,本文以自由漂浮空间机器人系统为对象,研究其在关节空间内的轨迹跟踪问题,论文的主要工作如下:推导自由漂浮空间机器人的运动雅可比矩阵,通过拉格朗日第二类方法推导系统动力学模型,并以平面二连杆自由漂浮空间机器人为对象,给出其动力学方程的计算实例,为控制律设计奠定了基础。自由漂浮空间机器人在太空中不受外力,系统的动量和动量矩守恒,系统动力学方程表现为欠驱动形式。利用系统动量守恒关系,推导出表现载体姿态和各关节角度关系的系统运动协调方程,并对动力学方程进行等价变换,得到完全能控形式。由于自由漂浮空间机器人系统存在惯性参数不确定性以及干扰,那么轨迹跟踪控制就存在着一定的偏差,为了提高轨迹跟踪控制的精度,对存在模型参数摄动和干扰的系统设计了系统鲁棒控制器,并通过仿真验证设计方法的有效性。针对系统的不确定性以及建模误差难以精确获得的情况,提出自适应鲁棒控制律的设计方法。在系统的鲁棒控制器中引入与不确定性上界相对应的可调参数,设计参数的调节律对不确定性的上界进行在线估计,实现系统对期望轨迹的跟踪控制。最后对设计的控制器进行仿真研究。针对系统的不确定性和干扰,提出神经网络鲁棒控制方案,利用RBF神经网络对非线性函数的良好逼近能力,直接对系统鲁棒控制器中的不确定非线性项进行逼近,鲁棒控制器用来抵消逼近误差,保证系统的稳定性和鲁棒性。最后通过仿真实验对所提出的控制器进行分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 本文研究的目的和意义
• 1.2 空间机器人系统研究现状
• 1.2.1 空间机器人技术发展现状
• 1.2.2 空间机器人建模研究现状
• 1.2.3 空间机器人控制策略研究
• 1.3 论文的主要研究内容
• 第二章 自由漂浮空间机器人数学模型
• 2.1 系统基本假设
• 2.2 变量定义
• 2.3 自由漂浮空间机器人数学模型
• 2.3.1 自由漂浮空间机器人系统的运动学
• 2.3.2 自由漂浮空间机器人系统的动力学
• 2.4 平面二连杆自由漂浮空间机器人
• 2.5 本章小结
• 第三章 自由漂浮空间机器人轨迹跟踪鲁棒控制
• 3.1 引言
• 3.2 非线性鲁棒H∞控制理论
• 3.2.1 耗散性理论
• 3.2.2 非线性系统的L2增益
• 3.2.3 非线性系统的H∞控制
• 3.3 自由漂浮空间机器人轨迹跟踪鲁棒控制器的设计
• 3.3.1 理想鲁棒控制器的设计
• 3.3.2 鲁棒控制器的设计
• 3.4 仿真研究
• 3.5 本章小结
• 第四章 自由漂浮空间机器人轨迹跟踪自适应鲁棒控制
• 4.1 引言
• 4.2 自适应控制理论
• 4.3 自适应鲁棒控制器的设计
• 4.4 仿真研究
• 4.5 本章小结
• 第五章 自由漂浮空间机器人轨迹跟踪神经网络鲁棒控制
• 5.1 引言
• 5.2 RBF神经网络理论概述
• 5.3 RBF神经网络鲁棒控制器设计
• 5.4 数学仿真分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 作者简介