具有时延的漂浮基空间机器人基于泰勒级数预测、逼近的改进非线性反馈控制

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1、航空学报ActaAeronauticaelAstrOnaulicaSinicaJan．252012V01．33No．1163．169ISSN1000．6893ON11．1929／Vhttp：#hkxb．buaa．edu．CRhkxb@buaa．edu．cn文章编号：1000-6893(2012)01-0163—07具有时延的漂浮基空间机器人基于泰勒级数预测、逼近的改进非线性反馈控制梁捷1’2，陈力1’*1．福州大学机械工程及自动化学院，福建福州3501082．中国空气动力研究与发展中心，四川I绵阳621000摘要：探讨了本体位置与姿态均不受控的漂浮基空间机器人在时间延迟(简

2、称时延)情况下惯性空间轨迹跟踪的控制问题。利用拉格朗日方法并结合系统动量守恒关系，分析、建立了漂浮基空间机器人完全能控形式的系统动力学模型及运动Jacobi关系。以此为基础。针对系统存在时延的情况，利用泰勒级数预测、逼近的方法，建立了适用于时延情况下控制系统设计的数学模型。利用该模型，提出了一种空间机器人在时延情况下的改进非线性反馈控制方案。然后运用Lyapunov第二类方法．结合范数以及图形分析的方法证明了在时延情况下整个闭环控制系统的渐近稳定性。文中提到的控制方案能够有效地克服系统存在时延的影响。控制漂浮基空间机器人末端爪手跟踪惯性空间的期望轨迹。系统数值仿真结果证明了

3、上述控制方案的有效性与精确性。关键词：漂浮基空间机器人；时间延迟；泰勒级数展开；惯性空间；非线性反馈控制中图分类号：V447；TP242文献标识码：A空间技术的发展及空间任务的不断增多，使得利用空间机器人代替宇航员完成各类空间任务操作成为太空活动的必然选择．因此其相关动力学与控制问题研究引起了国内外研究人员的广泛关注[1‘1引。在高度自主的智能机器人技术尚未成熟之前，通过操作者在地面对空间机器人进行遥操作，正在成为空间机器人技术研究的热点u卜13]。遥操作技术能够有效结合人与自动化系统的优点，不仅减少了风险和成本，而且提高了人在空间开发中的效率。所以，发展空间机器人遥操作技

4、术，使人在地面更好地参与空间科学实验活动，是进行空间活动的重要手段。而对于空间机器人遥操作控制系统来说，时间延迟(简称时延)现象是一个不可回避的问题，在控制系统设计中若不对时延加以考虑，前面提到的各种控制方案的精度及有效性等将大大受到影响，并可能导致控制失效。目前相关研究开展的并不多，因此具有时延的空间机器人动力学与控制是空间机器人技术中必须涉及和需要解决的关键问题。有重要的理论与实际意义。在具有时延的漂浮基空间机器人系统中，采用改进的非线性反馈控制不仅具有不需要测量、反馈空间机器人本体的位置、移动速度、移动加速度、姿态角速度以及姿态角加速度的显著优点，同时该算法具有简单、

5、调节方便、计算量小、有利于在线实施的特点。本文采用基于泰勒级数预测、逼近的改进非线性反馈控制方法，对具有时延的漂浮基空间机器人控制系统的设计问题进行了探讨。收稿日期：2011-03-21；退修日期：2011·08-02；录用日期：2011．08．23；网络出版时间：2011-10·1415：05网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20111014．1505．002htmIDOl：CNKI：11．1929／V．20111014．1505．002基金项目：闻家rI然科学基金(11072061．10672040)*通讯作者．Tel．

6、‘0591-87893261E-mail；chnle@fzu．edu．crl戮屑格武ILlangJ·ChenL．Improvednonlinearfeedbackcontrolforfree—floatingspace-basedrobotwithtime-delaybasedOnpredictiveandapproximationofTaylorseries．ActaAeronautlcaetAstronautlcasinice．2012。33({)l163—169．粱捷．睬力．具有时延的漂浮基空间机器人基f泰勒级教预铡．逼近的改进菲线性反馈控静j．航空学报．2012．3

7、3(1)t163-169．164航空学报Jan252012V01．33No．11泰勒级数的性质及在时延系统中的应用针对具有时延情况下的系统，文献[14]提出了一种泰勒级数预测、逼近的方法，将该时延系统中含有时间延迟的项按泰勒级数展开。利用泰勒级数展开的方法对系统的广义坐标变量q(z)、广义速度变量毒(z)及广义加速度变量面(￡)在t—T处进行一阶泰勒展开(T>0为时延)，并略去含时延的高阶项，得到fq(￡)兰q(t—T)+Tq(￡一T)

8、{g(￡)兰q(t一丁)+Tq(￡一T)(1)I口(f)兰q(￡一T)+Tq(