自由漂浮空间机器人的位形控制

论文摘要

空间机器人是当前机器人领域的热点问题。论文针对空间自由漂浮机器人做了以下两方面的研究:首先是自由漂浮空间机器人的模型建立以及模型分析,然后在建立模型的基础上进行控制系统设计。其中所设计的控制系统又解决了两类问题,分别是末端执行器的点位控制问题以及连续轨迹跟踪问题。第一,本文建立了自由漂浮空间机器人的动力学模型与运动学模型。因为自由漂浮空间机器人不受外力的作用,因此在整个系统工作的过程中其质心位置不发生变化,同时它还满足线动量守恒与角动量守恒。据此取质心作为整个系统的惯性参考坐标系原点,在此基础上进行模型的推导。对末端执行器的运动学模型进行求导就可以得到自由漂浮空间机器人的广义雅可比矩阵,它描述了末端执行器速度与关节相对转动角速度关系。基于广义雅可比矩阵与运动学模型,便可以对自由漂浮空间机器人的奇异性以及工作空间进行分析。最后,将自由漂浮空间机器人的模型与地面机器人的模型进行比较,进而得出在不发生动力学奇异的情况下,任何地面机器人的控制算法均可应用到空间自由漂浮机器人中。第二,本文对自由漂浮机器人的点位控制问题进行了研究。主要的设计思路就是先将自由漂浮空间机器人模型在平衡点处进行一次近似线性化,得到线性化的系统状态方程。针对此状态方程进行参数化设计,根据任务要求,得到满足条件的性能指标。再由性能指标对相关参数进行优化,进而得到最终的控制律。仿真结果表明参数法方法不仅能使末端执行器快速达到期望位置,同时具有鲁棒性。本文利用参数化方法,还解决了自由漂浮空间机器人在平衡状态时的干扰抑制问题,仿真分析表明所设计的控制器对空间机器人关节处施加的脉冲干扰能够进行有效的抑制。第三,本文讨论了自由漂浮空间机器人的连续轨迹跟踪问题。主要采用了两种方法来解决这一问题:第一种方法是Backstepping控制器设计。它首先将空间机器人模型分解为不超过系统阶数的递推子系统,通过反向递推设计为每一个子系统确定Lyapunov函数以及虚拟控制器,进而得到最终的控制律;第二种方法是反馈线性化控制器设计。它首先将空间机器人的模型中非线性的部分消去,推导得到完全线性化的状态方程,在此基础上采用最优二次型方法,得到最终的控制律。针对这两种控制律,分别进行仿真分析,仿真结果表明本文所采用的控制方法不仅能够有效的使末端执行器跟踪期望的连续轨迹,而且即使在关节存在小干扰的情况下,仍然能够满足控制要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 国内外空间机器人技术发展状况
• 1.3 空间机器人理论研究现状
• 1.4 论文研究内容安排
• 第2章 自由漂浮空间机器人的建模
• 2.1 引言
• 2.2 两个重要关系式
• 2.2.1 各部件位置表示
• 2.2.2 角动量守恒方程
• 2.3 自由漂浮空间机器人运动学模型的推导
• 2.4 自由漂浮空间机器人动力学模型的推导
• 2.5 自由漂浮空间机器人的模型分析
• 2.5.1 奇异性分析
• 2.5.2 工作空间分析
• 2.5.3 空间机器人与地面机器人模型比较
• 2.6 本章小结
• 第3章 自由漂浮空间机器人的点位控制
• 3.1 引言
• 3.2 空间机器人的点位控制
• 3.2.1 点位控制问题描述
• 3.2.2 线性化状态方程的推导
• 3.2.3 点位控制器设计
• 3.2.4 仿真分析
• 3.3 平衡状态时的干扰抑制问题
• 3.3.1 干扰抑制控制器设计
• 3.3.2 仿真分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 自由漂浮空间机器人的连续轨迹跟踪控制
• 4.1 引言
• 4.2 连续轨迹跟踪控制的问题描述
• 4.3 Backstepping控制器设计
• 4.3.1 Backstepping控制器设计
• 4.3.2 仿真分析
• 4.3.3 仿真结果分析
• 4.4 反馈线性化控制器设计
• 4.4.1 反馈线性化控制器设计
• 4.4.2 仿真分析
• 4.5 Backstepping控制与反馈线性化控制比较
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢