双臂空间机器人地面气浮仿真系统的位姿控制

论文摘要

展望我国在“十二五”期间航天事业的发展蓝图,由于太空环境复杂,用空间机器人来替代宇航员完成捕捉失效卫星、清除卫星运行轨道的垃圾、维修航天器设备等任务将是太空探索的必然趋势。在这样的背景下,本文以双臂空间机器人地面气浮仿真系统为研究对象,对其位姿控制进行了相关研究。本文的主要工作包括以下几个方面:首先,建立了机械臂不运动时气浮仿真系统的运动数学模型;建立了运动的机械臂与气浮仿真系统本体之间的数学模型;建立了喷气推力器的数学模型;建立了单框架控制力矩陀螺(single gimbal control moment gyroscope,SGCMG)动力学模型和SGCMG框架伺服系统动力学模型。其次,设计了基于安排过渡过程和顺馈补偿扰动、使用MATLAB优化工具箱SRO模块进行优化的综合PID控制方法对气浮仿真系统的平动进行控制,并且用MATLAB/SIMULINK进行了仿真验证,结果能够满足实际的要求。然后,以喷气推力器作为姿态控制执行机构,对气浮仿真系统进行了姿态控制仿真;以SGCMG作为姿态控制执行机构,设计了基于极点配置的渐近跟踪控制器对气浮仿真系统的姿态进行控制;采用了极点配置的方法对SGCMG框架伺服系统的框架角进行控制,并且进行仿真验证了该方法的有效性。最后,讨论了机械臂对气浮仿真系统本体的位置和姿态扰动,提出了一种对气浮仿真系统本体没有姿态扰动的机械臂运动方案,同时采用了顺馈补偿的方法控制机械臂对气浮仿真系统本体产生的位置扰动,并且仿真验证了该方法的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景及研究意义
• 1.2 国内外研究现状及分析
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 论文的主要研究内容及结构安排
• 第2章 基本数学模型
• 2.1 引言
• 2.2 坐标系定义及变换
• 2.2.1 坐标系定义
• 2.2.2 坐标系变换
• 2.3 机械臂固定时气浮仿真系统的数学模型
• 2.4 运动的机械臂与气浮仿真系统本体之间的运动数学模型
• 2.4.1 气浮仿真系统的位置和线速度与机械臂各关节的运动模型
• 2.4.2 机械臂末端与气浮仿真系统本体和机械臂各关节的运动学模型
• 2.5 喷气推力器的数学模型
• 2.6 SGCMG的数学模型
• 2.6.1 SGCMG动力学模型
• 2.6.2 SGCMG框架伺服系统动力学模型
• 2.7 本章小结
• 第3章 机械臂固定时气浮仿真系统的位置控制
• 3.1 引言
• 3.2 整数阶PID综合控制方法
• 3.2.1 传统PID控制方法
• 3.2.2 基于SRO优化的非线性优化PID控制方法
• 3.2.3 基于过渡过程的PID控制方法
• 3.2.4 顺馈补偿控制方法
• 3.3 分数阶PID控制方法
• 3.3.1 分数微积分定义
• 3.3.2 分数阶控制器
• 3.3.3 分数阶控制器的数字实现
• 3.4 气浮仿真系统的位置控制
• 3.5 本章小结
• 第4章 机械臂固定时气浮仿真系统的姿态控制
• 4.1 引言
• 4.2 气浮仿真系统姿态控制仿真（喷气推力器控制）
• 4.3 气浮仿真系统姿态控制仿真（SGCMG控制）
• 4.3.1 基于极点配置的渐近跟踪控制器
• 4.3.2 SGCMG框架伺服系统控制仿真
• 4.3.3 SGCMG姿态控制仿真
• 4.4 本章小结
• 第5章 机械臂的运动对仿真系统本体的扰动抑制控制
• 5.1 引言
• 5.2 机械臂的运动对仿真系统本体的姿态扰动分析与抑制控制
• 5.3 机械臂的运动对仿真系统本体的位置扰动分析与抑制控制
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢