惯性参数不确定的自由漂浮空间机器人自适应控制研究

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaDec．252012V01．33No．122347．2354ISSN1000．6893CN11—1929／Vhttp：Hhkxb．buaa．edu．Cnhkxb@buaa．edu．CFI文章编号：1000—6893(2012)12—2347—08惯性参数不确定的自由漂浮空间机器人自适应控制研究张福海1’2一，付宜利1，王树国11．哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室，黑龙江哈尔滨1500012．哈尔滨工业大学材料

2、科学与工程博士后流动站，黑龙江哈尔滨150001摘要：针对自由漂浮空问机器人系统惯性参数不确定问题，提出一种笛卡儿空间内的自适应轨迹跟踪控制方法。采用扩展机械臂模型建立了自由漂浮空间机器人关节空间动力学方程，进而推导笛卡儿空间中的自由漂浮空间机器人动力学方程。在基于逆动力学法的自由漂浮空间机器入自适应控制器设计中，利用标称控制器离线固定控制参数与补偿控制器在线补偿方法，既可以保证惯量矩阵可逆，又可以使控制参数实时估计。采用Lyapunov方法的稳定性分析表明系统是稳定且渐进收敛的。最后，应用该控制

3、方法对两杆平面自由漂浮空间机器人进行了仿真研究。仿真结果显示自由漂浮空间机器人末端执行器在笛卡儿空间具有良好的轨迹跟踪能力。关键词：自由漂浮空间机器人；关节空间；笛卡儿空间；自适应控制；Lyapunov方法中图分类号：V474；TP24文献标识码：A由人造地球卫星作为基座和搭载在卫星上的机械臂组成的空间机器人系统，可代替或辅助宇航员完成空间站的建造与维修、卫星的施放与维护，因此在未来具有广阔的应用前景口。2j。按照基座姿态是否受控可将这种空间机器人分为自由飞行空间机器人和自由漂浮空间机器人(Fre

4、e—FloatingSpaceRobot，FFSR)。以消耗很难再次加注的化学燃料为代价，自由飞行空间机器人使用卫星的喷气推进器补偿机械臂运动对卫星基座姿态所造成的扰动。为节省宝贵的化学燃料，将卫星基座的姿控系统关闭，卫星基座处于自由漂浮状态，那么机械臂运动会对卫星基座姿态产生扰动，即二者之间存在动力学耦合作用[3q]。实际的FFSR系统中存在一些难以精确确定的系统参数，如由于空间机器人系统的复杂结构以及基座携带燃料的消耗，系统构件质量、质心位置及惯性矩等往往很难精确测定，此外所要抓取载荷如失效的

5、卫星、维护工具等，它们的系统参数往往是未知的。因此要满足高精度的跟踪规划轨迹，FFSR控制器必须具有自适应能力，当系统参数随环境发生变化或本身工作状态发生变化时，控制器必须适应变化的控制对象及环境，使其仍具备所要求的控制性能。所以进行FFSR自适应控制研究具有重要的理论与实际意义[5。6]。相当多的学者针对基座姿态可控的自由飞行空间机器人惯性参数存在不确定性的情况研究了各种自适应控制方案，以克服系统动力学参数的不确定性，并保证对机械臂末端期望轨迹的渐近跟踪[7喝]。但是这些自适应控制方案对于基座姿

6、态、位置均不受控制的FFSR则无法保证控制器收稿日期：2012—01—17；退修日期：2012—03—27；录用日期：2012—05—02；网络出版时间：2012—05．2313：45网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20120523．1345．002html基金项目：国家自然科学基金(60975063)；中央高校基本科研业务费专项资金(HITNSRIF．2013047)*通讯作者．Tel．：0451-86403219E—mail：zfhhit@h

7、it．edu．CFI引用箍武

8、ZhangFH，FuYL。WangSG．Adaptivecontroloffree·floatmgspacerobotwithinertiaparameteruncertainties．ActaAeronauti—caetAstronauticaSinica．2012，33(12)：2347-2354．张福海．付宜翻．I树国．惯性参数不确定的自由漂浮空阚机器人自适应控翩研究．航空学报，2012．33(12)：2347-2354．航空学报的有效性，这是因为FFSR的角动

9、量矩守恒方程不可积使得系统表现出非完整特性[9]。这个根本区别使得其控制问题面临着2个基本困难：一个是动力学耦合作用使得雅可比矩阵与质量、惯性矩等惯性参数有关，因此广义雅可比矩阵会由于惯性参数的不确定性而无法准确获得，这可能导致笛卡儿空间的参考轨迹无法在关节空间中实现；另一个是系统动力学方程不能直接线性参数化且在线计算量巨大。为了克服FFSR动力学方程无法线性参数化的问题，文献[10]提出扩展机械臂模型方法，将机械臂末端变量与关节变量组成增广变量，使系统动力学方程中的惯性参数符合线