考虑铰间间隙和重力效应的空间机械臂轨迹跟踪控制

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1、硕士学位论文MASTER’SDISSERTATION论文题目考虑铰间间隙和重力效应的空间机械臂轨迹跟踪控制作者姓名侯甜甜学科专业控制理论与控制工程指导教师刘福才教授2016年5月中图分类号：TP241学校代码：10216UDC：621.3密级：公开工学硕士学位论文考虑铰间间隙和重力效应的空间机械臂轨迹跟踪控制硕士研究生：侯甜甜导师：刘福才教授申请学位：工学硕士学科专业：控制理论与控制工程所在单位：电气工程学院答辩日期：2016年5月授予学位单位：燕山大学ADissertationinControlTheoryandControlEngineeringTHESTUDYOFSPACEMANI

2、PULATORTRAJECTORTTRACKINGCONTROLCONSIDERINGTHEJOINTCLEARANCEANDGRAVITYbyHouTiantianSupervisor:ProfessorLiuFucaiYanshanUniversity2016.5燕山大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文《考虑铰间间隙和重力效应的空间机械臂轨迹跟踪控制》，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明

3、的法律结果将完全由本人承担。作者签字：日期：年月日摘要摘要随着空间探索的不断深入，人们对空间机械臂精度的要求也越来越高，铰间间隙引起的空间机构动力学非线性特性逐渐成为关注焦点。众所周知，所有航天机构在空间微重力环境下进行在轨服役，但是是在地面重力环境设计和调试的。空间机构由地面到空间，由于间隙的存在使机构动力学模型和运动学模型发生了变化从而导致地面模拟调试好的控制器在空间难以达到期望的控制精度。本文以含铰间间隙的二自由度空间机械臂为研究对象，考虑不同重力环境，通过建立含铰间间隙机构动力学模型，设计间隙补偿控制器，在不同重力环境下都能够使空间机械臂达到理想的轨迹跟踪精度。主要内容如下：首先

4、，分析了不同重力环境下影响间隙形成的主要因素。采用无质量轻杆等效铰间间隙模型，通过分析动力学特性，建立了不同重力环境下含铰间间隙的空间机械臂动力学模型，进行铰间间隙与重力对末端轨迹跟踪控制精度耦合影响的仿真研究。在此基础上，针对间隙等效模型造成的模型不确定性及干扰，设计间隙补偿控制器，并通过仿真验证了间隙补偿控制器的有效性。其次，通过分析不同重力环境下含间隙机构的关节间隙运动特性，采用弹簧阻尼元件等效铰间间隙模型，建立了地面装调及空间服役两种不同工况下的近似间隙等效模型。以二自由度空间机械臂为例，利用牛顿欧拉法推导了重力及重力释放条件下的含间隙动力学解析解，并分离了间隙补偿项。在此基础上

5、，通过轨迹跟踪控制仿真，探究了含间隙机械臂受重力影响的动力学行为差异，同时验证了间隙补偿控制器的有效性。再次，利用动量矩定理研究了在地面装调和空间应用两个阶段的含铰间间隙机构动力学模型。并针对重力环境和铰间间隙的改变导致的地面调试好的控制系统在空间应用时无法达到控制精度这一问题，设计了不依赖控制对象模型的自抗扰控制算法。该算法将机构中重力和铰间间隙的变化作为系统中的干扰，通过利用扩张状态观测器对其进行估计，经过非线性反馈控制进行补偿，提高系统控制精度。关键词：空间机械臂；重力影响；铰间间隙；自抗扰控制；轨迹跟踪I燕山大学工学硕士学位论文AbstractWiththedevelopment

6、ofspaceexploration,therequirementfortheprecisionofthespacemanipulatorwashigherandhigher,andthedynamicnonlinearcharacteristicsofthespacemechanismcausedbythejointspacewasgraduallybecomingthefocusofattention.Asisknowntoall,allspaceagencyserviceonorbitinthespacemicrogravityenvironment,butweredesigned

7、anddebuggedinthegroundgravityenvironment.Fromthegroundtospace,duetotheexistenceofclearance,thedynamicsmodelandthekinematicsmodelofspaceagencieswerechangedresultinginthatthecontrollerdebuggedunderthegroundwasdifficultto