漂浮基空间机器人捕获卫星过程冲击动力学建模及基于非线性滤波器的镇定运动控制

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1、第２２卷第１期载人航天Ｖｏｌ．２２Ｎｏ．１２０１６年２月ＭａｎｎｅｄＳｐａｃｅｆｌｉｇｈｔＦｅｂ．２０１６漂浮基空间机器人捕获卫星过程冲击动力学建模及基于非线性滤波器的镇定运动控制１，２１，２程靖，陈力（１．福州大学机械工程及自动化学院，福州３５０１１６；２．福建省高端装备制造协同创新中心，福州３５０１１６）摘要：研究了空间机器人系统捕获目标卫星时发生碰撞的冲击效应及之后的稳定控制问题。首先利用拉格朗日第二类方程建立了空间机器人系统的动力学模型，目标物的动力学方程则通过牛顿欧拉法获得。其次利用运动几何关系及动量守恒原理，分析了碰撞冲击对

2、系统的影响。对于两者接触后形成失稳的联合体系统，设计了输出反馈控制方案，以完成稳定控制。同时，考虑到空间机器人输入力矩有限的条件，运用带饱和函数的控制率将控制力矩限制在一定范围内。该方案利用非线性滤波器估测机械臂关节的速度，使其在控制过程中仅需测量系统位置信息。最后，通过李雅普诺夫判据证明了系统的稳定性。数值仿真实验模拟了碰撞冲击效应，并验证了上述控制方案的有效性。关键词：漂浮基；空间机器人；碰撞冲击；输入受限中图分类号：ＴＰ２４１文献标识码：Ａ文章编号：１６７４-５８２５（２０１６）０１-００３３-０５ImpactDynamicsan

3、dCalmingControlBasedonNonlinearFilterforFree-floatingSpaceRobotCapturingaSatellite１，２１，２ＣＨＥＮＧＪｉｎｇ，ＣＨＥＮＬｉ（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＦｕｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆｕｚｈｏｕ３５０１１６，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅＩｎｎｏｖａｔｉｏｎＣｅｎｔｅｒｏｆＨｉｇｈＥｎｄＥｑｕｉｐｍｅｎｔＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｉｎＦｕｊｉａｎ，Ｆｕｚｈｏｕ３５０１１６，Ｃ

4、ｈｉｎａ）Abstract：Ｔｈｅｉｍｐａｃｔａｎａｌｙｓｉｓｏｆｓｐａｃｅｒｏｂｏｔｗｈｉｌｅｃａｐｔｕｒｉｎｇａｔａｒｇｅｔａｎｄｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｂ-ｌｅｍａｆｔｅｒｔｈｅｉｍｐａｃｔｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｗｉｔｈｔｈｅＬａｇｒａｎｇｅｅｑｕａｔｉｏｎ，ｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｌｏｆｓｐａｃｅｒｏｂｏｔｓｙｓｔｅｍｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄａｎｄｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｔａｒｇｅｔｗａｓｄｅｒｉｖｅｄｂｙＮｅｗｔｏｎ-Ｅｕｌｅｒａｐ-ｐｒｏａｃｈ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，

5、ｔｈｅｉｍｐａｃｔｅｆｆｅｃｔｏｆｒｉｇｉｄｃｏｕｐｌｉｎｇｍｏｄｅｌｗａｓａｎａｌｙｚｅｄｂｙａｐｐｌｙｉｎｇｇｅｏｍｅｔｒｉｃｒｅｌａ-ｔｉｏｎｓｈｉｐａｎｄｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｍｏｍｅｎｔｕｍｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ．Ｏｕｔｐｕｔ-ｆｅｅｄｂａｃｋｃｏｎｔｒｏｌｓｃｈｅｍｅｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｆｏｒｕｎｓｔａｂｌｅｃｏｍｂｉｎｅｄｓｙｓｔｅｍｓｏａｓｔｏｓｔａｂｉｌｉｚｅｔｈｅｃｏｍｂｉｎｅｄｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｉｎｐｕｔｔｏｒｑｕｅｌｉｍｉｔｅｄｂｙｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌａｗｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｆｏｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏ

6、ｎｏｆｌｉｍｉｔｅｄｉｎｐｕｔｓｗｉｔｈｓａｔｕｒａｔｉｏｎｆｕｎｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅａｎｇｌｅｖｅｌｏｃ-ｉｔｙｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗａｓｅｓｔｉｍａｔｅｄｂｙｎｏｎｌｉｎｅａｒｆｉｌｔｅｒａｎｄｉｔｏｎｌｙｒｅｑｕｉｒｅｄｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ．Ａｔｌａｓｔ，ｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｃｏｍｂｉｎｅｄｓｙｓｔｅｍｗａｓｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄｂｙＬｙａｐｕｎｏｖｃｒｉｔｅｒｉａ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｅｘａｍｐｌｅｗａｓｕｓｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｃｏｌｌｉｓｉ

7、ｏｎｉｍｐａｃｔａｎｄｔｈｅｖａｌｉｄｉｔｙｏｆｔｈｅｐｒｏ-ｐｏｓｅｄｃｏｎｔｒｏｌｓｃｈｅｍｅｗａｓｖｅｒｉｆｉｅｄ．Keywords：ｆｒｅｅ-ｆｌｏａｔｉｎｇｂａｓｅ；ｓｐａｃｅｒｏｂｏｔ；ｃｏｌｌｉｓｉｏｎｉｍｐａｃｔ；ｌｉｍｉｔｅｄｉｎｐｕｔｓ［１-６］内外学者的关注，空间机器人系统越来越多地１引言应用到了航空器维修、空间站建设、卫星捕获等空随着人类在太空领域的不断深入探索，空间［７-９］间任务中。在完成空间操作任务的过程中，机机器人的研究也越来越受到重视，引起了众多国械臂末端将不可避免地与被捕获物接触，产生的收稿日期：２０

8、１５-０８-１７；修回日期：２０１５-１２-２１基金项目：国家自然科学基金资助项目（１１３７２０７３，１１０７２０６１）作者简介：程靖（１９８９－），男，博士研究生，研究方向为空间机器人系统动力学与控制。Ｅ