捕获目标后组合体航天器抗干扰自适应控制

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1、20中国空间科学技术2015年12月壁垫i里竺兰竺量旦皇ceScienceandTechnology第6期捕获目标后组合体航天器抗干扰自适应控制王益平1赵育善(1北京航空航天大学宇航学院，北京100191)师鹏1郑翰清2(2上海航天控制技术研究所，上海200233)摘要针对空间机器人系统捕获非合作目标后由于质量特性参数和动量突变影响导致的组合体系统失稳问题，提出了一种基于系统动力学模型的抗干扰自适应控制方法。利用拉格朗日方法对系统进行动力学建模，通过冲击动力学建模分析得到了捕获目标后组合体系统的初始状态；基于系统动力学模型设计了线性反馈控制方法，考虑组合体质量特性参数不确定

2、性以及外在干扰不确定性，对组合体系统动力学模型进行了不确定参数线性化，设计了参数自适应线性反馈控制方法；最后以平面三关节机械臂系统捕获旋转目标为例进行了仿真计算。组合体系统的运动状态量趋于期望值，速度级状态变量误差量级控制在101以下，位置级状态变量误差量级控制在10-3以下，说明该控制方法可以很好地保持捕获目标后组合体系统的稳定。关键词组合体系统；冲击动力学；干扰；线性化；自适应控制；在轨捕获；空间机械臂DOI：10．3780／j．issn．1000—758X．2015．06．0031引言空间技术以及机器人技术的发展，使得空间机器人在轨服务技术在空间任务设计中扮演越来越重

3、要的角色。空间机器人一般由基座航天器以及安装在基座航天器上的一个或者多个空间机械臂组成，它可以代替宇航员执行在轨服务任务，如对卫星进行辅助人轨、对故障航天器进行维修或者维护、清理废弃航天器和空间碎片等口_3]。鉴于空间机器人在轨服务技术的良好应用前景，各航天强国都对空间机器人技术表现出了高度关注并进行了大量的研究工作，提出或实施了多项研究计划，如美国的轨道快车(0rbitalExpress)、德国的实验服务卫星(ESS)、日本的七号工程实验卫星(ETS—VII)：“。空间机器人在轨捕获一般可以分为四个阶段：追踪和获取目标阶段、接近目标阶段、实施抓取阶段以及抓取完成后组合体的

4、稳定控制阶段。抓取目标航天器完成后，组合体航天器的质量特性和动量都将发生突变，目标航天器可能还会存在力与力矩的干扰，这些都会导致基座航天器及空间机械臂原有的控制参数不能满足控制性能要求，甚至可能导致整个系统失稳[5]。因此，捕获目标后组合体的稳定控制极其重要。针对组合体航天器稳定控制，学者们进行了很多研究。基于动力学模型，文献r6—7]设计了线性反馈控制器来保证机械臂关节的轨迹跟踪以及基座的姿态稳定。考虑动力学不确定性，文献E8]设计了自适应反馈控制算法。基于角动量守恒和线动量守恒原理，文献E9]提出了关节阻尼控制以及关节函数参数化协调控制方法。考虑动力学和运动学不确定性，

5、文献ElO一11]在零反空间控制算法的基础上提出了自适应控制算法，将基座姿态变化控制在微小范围内。国家自然科学基金(11102007)，国家基本科研业务费(YwF一14一YHXY一012)资助项目收稿日期：2015一05一08。收修改稿日期：2015-06—08!!!i笙!!旦主垦奎!里登兰垫查21上述文献大多考虑自由漂浮空间机器人系统关节空间控制，认为基座航天器不施加控制或者独立控制，外部干扰力以及力矩为零。由于捕获之后基座航天器的速度及角速度都会发生改变，而且当目标航天器存在较大机动干扰时，外力及外力矩的影响将不可忽略，控制系统设计不仅需要考虑组合航天器体质量特性参数的

6、不确定性，同时需要考虑干扰力、力矩的大小以及位置不确定性。针对普遍情况下的组合体航天器稳定控制研究，具有更高的应用价值。本文利用拉格朗日方法建立组合体系统的动力学模型，利用冲击动力学方法对捕获过程进行碰撞分析，得到了捕获后组合体航天器的初始运动状态。针对组合体航天器的稳定控制，考虑质量特性参数不确定性以及外在干扰不确定性，将基座航天器的位置、姿态以及机械臂关节空间结合起来，提出了一种基于动力学模型的自适应线性反馈控制方法，使得机械臂关节角以及关节角速度在趋于期望值的同时保证基座航天器的位置、姿态稳定；最后通过计算机仿真验证了控制方法的有效性。2系统动力学建模如图1所示，空间

7、机器人系统一般由基座航天器以及T／节机械臂构成，且每个关节只有一个自由度。空间机器人系统由r／+1个刚体组成，基座卫星编号为0，机械臂编号依次为1～，20图1中0。X。y。为基座航天器本体坐标系，CM为系统质心，P。为末端接触点矢量。定义变量：0。X。y。，惯性坐标系；k，∈R3，关节i旋转方向的单位矢量；J，∈R取3，体i相对其质-t2,的转动惯量；m。，体j质量；r，∈R3，物体i质心位置矢量；r。∈R3，基座质心位置矢量；r。∈R3，系统质一t2,位置矢量；P。∈R3，关节i的位置矢量；∞，∈R3，物体i角速