大型空间机械臂动力学建模与稳定控制策略

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1、大型空间机械臂动力学建模与稳定控制策略莫洋2016年1月中图分类号：TQ028.1UDC分类号：540大型空间机械臂动力学建模与稳定控制策略作者姓名莫洋学院名称机电学院指导教师蒋志宏副教授答辩委员会主席宋萍教授申请学位工学硕士学科专业机械工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2016年1月StabilitycontrolmethodanddynamicsmodelingofspacemanipulatorCandidateName：MoYangSchoolorDepartment:MechanicalEngineeringFacultyMentor:JiangZhihongC

2、hair,ThesisCommittee:SongPingDegreeApplied:MasterofScienceMajor：ElectricalEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：January，2016研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研

3、究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学硕士学位论文摘要随着人类对于空间探索的不断深入，在轨空间站作为人类空间探索极其重要的实验平台正逐渐朝着大型化、复杂化的方向发展。下一阶段我国载人航天的重要工作便是大型空间站的建设，大型空间机械臂对于空间站的建设与日常维护会起到非常重要的作用。本文基于此背景，研究七自由度空间机械臂携带大质量负载下的稳定控制策略，为未来空间站建设过程中机械臂辅助工作时的运动控制提供一些借鉴。本文的主要研究内容和成果如下：第一，在对七自由度空间机械臂构型分析的基础上，建立了一套杆件坐标系，分析并求解了七

4、自由度空间机械臂的正运动学与正逆雅可比矩阵，并针对机械臂冗余自由度进行了轨迹优化，运用五次插值规划保证了关节运动过程中加速度不会突变，运用关节速度优化方法合理分配了各关节运动速度，从轨迹规划层面保证了机械臂运动控制的稳定性。第二，针对空间环境微重力的特点，利用空间向量法建立了七自由度空间机械臂漂浮基座下的动力学模型，对链式无根多体系统进行了求解，得到了机械臂、末端负载以及空间站基座之间的耦合关系，为实现空间机械臂的前馈控制打下了基础。第三，针对空间机械臂关节采用的永磁同步电机进行了研究，建立了永磁同步电机动力学模型，得到了关节负载力矩到电机电流的映射以及电机电流到电机电压的映射

5、。并对电机参数提出了辨识算法，能通过实验校准模型参数，为关节前馈控制提供了条件。第四，针对机械臂工作过程中，关节力矩会发生大范围快速变化的情况，提出采用基于系统动力学与关节动力学的多前馈控制策略，能够实现关节控制上的位置、速度、加速度连续，减少力矩冲击，并加快了末端大负载下的运动响应速度，提高了机械臂运动的稳定性。最后，针对空间机械臂控制算法的地面验证，设计了一套半实物仿真验证系统。能够验证空间机械臂在真空高低温以及失重的环境下，末端带动大负载进行运动时的稳定控制效果。仿真和实验结果验证了空间机械臂稳定控制算法的有效性。关键词：空间机械臂；稳定控制；轨迹规划；前馈控制；半实物仿

6、真I北京理工大学硕士学位论文AbstractWiththedeepexplorationofSpace,On-orbitspacestationasextremelyimportantexperimentalplatformisgraduallymovinginlarge,complexdirection.TheimportantworkofthenextphaseofChina'smannedspaceflightisbuildingalargespacestation,duringtheprocess,thelargespacemanipulatorwillplayaver

7、yimportantrolefortheconstructionandroutinemaintenance.Basedonthisbackground,thispaperstudiesthestablecontrolstrategyof7Dofspacemanipulatorcarryingmassiveload,toprovidesomereferenceformotioncontrolofspacemanipulatorinthefuture.Themaincontentsandresu