CN107505846B - 一种空间机械臂系统抗干扰姿态协调验证装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种空间机械臂系统抗干扰姿态协调验证装置及控制方法。所述验证装置由三轴气浮台，多连杆机械臂测控模块，基座航天器姿控模块，中央控制模块组成；三轴气浮台用于模拟基座航天器的运动，同时为多连杆机械臂测控模块与基座航天器姿控模块提供空间力学环境；多连杆机械臂测控模块用于支撑机械臂在轨路径规划、姿态测量与驱动控制的验证；基座航天器姿控模块用于控制调节基座航天器姿态；中央控制模块用于控制算法的切换与上传、多源干扰的模拟与注入、试验数据的分析处理；所述控制方法存储于试验主控单元中，可实现与现有空间机械臂系统控制算法的对比验证，保证了空间复杂干扰环境下基座航天器的稳定性与多连杆机械臂的精细操控能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种空间机械臂系统抗干扰姿态协调控制方法及验证装置，所提抗干扰姿态协调控制方法可应用于空间机械臂系统姿态控制算法设计，所提验证装置可应用于空间机械臂系统的总体设计与实验调试，该装置可于地面模拟空间机械臂在轨精细操作的多种控制方法与基座航天器的姿态确定与基于反作用飞轮的姿态稳定控制，可用于验证空间机械臂系统总体设计方案的可行性、在轨运行时的故障处理策略以及多源复合干扰环境下的抗干扰控制方法。
背景技术
空间机械臂系统由基座航天器与搭载其上的空间机械臂组成，是未来在轨服务背景下承担自主交会对接、故障航天器在轨维修与燃料加注、空间碎片清理等任务的通用性操作平台，具有巨大的战略价值。
与地面机械臂系统不同，空间机械臂系统面临着漂浮不稳定基座造成的动力学耦合、连杆应用轻质材料造成的挠性振动、空间恶劣环境干扰影响，归纳为内部、外部、建模误差三类干扰。因此，传统的地面工业机器人控制技术难以在轨道空间实现高精度作业，急需一种适用空间在轨操作背景下的空间机械臂系统姿态协调控制方法。另外与常规的航天器姿态控制系统已有大量工程实践经验不同，空间机械臂系统技术作为世界各国争夺的技术制高点，其中1997年日本工程试验7号、2007年美国轨道快车计划、2013年中国试验7号三次空间在轨操作实例引发了广泛的关注，其余各国提出的大多数计划均处于方案论证与预研试制阶段，依靠地面试验装置对系统控制算法进行试验验证与参数整定显得尤为重要。美国卡内基梅隆大学与中国航天科技集团502所设计了利用吊丝配重来克服重力模拟空间微重力环境的实验系统，该系统成本低、易维护，但实验中发现吊丝引入的晃动问题严重影响了机械臂的操作精度，同时难以完全抵消重力因素的影响。日本东京大学提出的利用微重力塔执行自由落体运动来产生微重力环境的实验系统造价昂贵、维护成本高、工作时间短。与此类似，美国马里兰大学提出的利用液体浮力来抵消重力影响的水浮式实验系统也因造价、成本问题难以推广。另外专利申请号201210265824.2与申请号200910073470.X搭建的空间机械臂仿真系统采用计算机数值计算的方法进行动力学仿真，难以完全模拟空间力学环境；专利申请号201410220419.8搭建的空间机械臂地面实验系统没有考虑实际工程中面对多源复合干扰的情形，无法完成对系统抗干扰能力的验证。
针对空间机械臂系统姿态协调控制，许多已有的研究，如专利申请号201510079167.6中考虑了通过特定的机械臂运动路径规划来使得对基座航天器姿态的影响最小化，然而实际中由于机械臂性能受限难以实现零反作用效果。专利申请号201410138354.2中基于扩展雅克比矩阵计算基座航天器控制力矩陀螺的角速度指令，计算量大且不具备抗干扰能力。专利申请号201610779776.7中利用常规航天器姿态控制系统中的反作用喷气装置来控制空间机械臂系统的位置和姿态，需要消耗不可再生的推进剂，难以承担频繁的在轨操作任务，且喷气装置启动时会使机器人产生突然的运动，干扰机械臂的精细操作。同时，已有的方法往往忽略了外界环境、内部振动、以及建模误差等多源干扰，在实际工程环境下难以保证空间机械臂系统的作业精度及任务完成效果。
总之，现有的空间机械臂系统控制方法与验证装置均无法完成复杂干扰环境下空间机械臂系统的在轨精细操作以及能力的验证。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种空间机械臂系统抗干扰姿态协调控制方法及验证装置。所述验证装置成本低、易维护、仿真度高、包含干扰模拟与注入单元，具备对各类空间机械臂系统控制算法在多源复杂干扰环境下运行效果的验证能力，便于推广。所述空间机械臂系统抗干扰姿态协调控制方法基于动量反作用补偿原理，结合基于干扰观测器的抗干扰复合控制法，由该装置验证了有效性，保证了空间复杂干扰环境下机械臂的精细操作能力与基座航天器的稳定性。
本发明的技术解决方案是：
一种空间机械臂系统抗干扰姿态协调验证装置，由三轴气浮台(4)，多连杆机械臂测控模块(3)，基座航天器姿控模块(2)，中央控制模块(1)四部分组成；其中三轴气浮台(4)模拟基座航天器，同时为多连杆机械臂测控模块与基座航天器姿控模块提供空间力学环境；多连杆机械臂测控模块(3)安装于三轴气浮台(4)台面，包含路径规划单元(31)、姿态测量单元(32)、驱动控制单元(33)与机械臂无线通信单元(34)，用于验证多连杆机械臂的在轨操作；基座航天器姿控模块(2)安装于三轴气浮台(4)台面，包含姿态确定单元(21)、姿态控制单元(22)、反作用飞轮组(23)与姿控数据无线收发单元(24)，用于调节控制三轴气浮台(4)模拟的基座航天器姿态；中央控制模块(1)包括试验主控单元(11)、干扰模拟与注入单元(12)、数据存储分析与对比单元(13)以及中央指令无线传输单元(14)，试验主控单元(11)存储多种空间机械臂系统控制算法，可上传至基座航天器姿态控制单元(22)和机械臂驱动控制单元(33)，实现不同控制算法的切换，干扰模拟与注入单元(12)用于向基座航天器姿态确定单元(21)与姿态控制单元(22)、多连杆机械臂测控模块姿态测量单元(32)、驱动控制单元(33)发送干扰信号，模拟系统在面对内部干扰、外部干扰以及建模误差下的情形，数据存储分析与对比单元(13)用于实时存储系统控制指令与当前姿态角及角速度信息用于不同控制算法下系统操作精度的对比验证；中央控制模块(1)中试验主控单元(11)、干扰模拟与注入单元(12)、数据存储分析与对比单元(13)以及中央指令无线传输单元(14)之间的通信协调由模块内信号回路实现，中央指令无线传输单元(14)负责中央控制模块(1)与三轴气浮台(4)、基座航天器姿控模块(2)、多连杆机械臂测控模块(3)间的信息交互；基座航天器姿控模块(2)中的姿态确定单元(21)、姿态控制单元(22)、反作用飞轮组(23)与姿控数据无线收发单元(24)之间的通信协调由模块内信号回路实现，姿控数据无线收发单元(24)负责基座航天器姿控模块(2)与三轴气浮台(4)、中央控制模块(1)、多连杆机械臂测控模块(3)间的信息交互；多连杆机械臂测控模块(3)中的路径规划单元(31)、姿态测量单元(32)、驱动控制单元(33)与机械臂无线通信单元(34)之间的通信协调由模块内信号回路实现，机械臂无线通信单元(34)负责多连杆机械臂测控模块(3)与三轴气浮台(4)、中央控制模块(1)、基座航天器姿控模块(2)间的信息交互；所述装置信号流如下：试验主控单元(11)选定系统控制算法，上传至基座航天器姿控模块(2)中的姿态控制单元(22)和多连杆机械臂测控模块(3)中的驱动控制单元(33)，随后多连杆机械臂测控模块3中的路径规划单元(31)给定机械臂期望运动路径，姿态测量单元(32)通过关节角度传感器获取机械臂各关节角度与角速度信息，机械臂驱动控制单元(33)实时运行控制算法，为机械臂关节驱动电机提供控制指令。基座航天器姿控模块(2)中，姿态确定单元(21)对陀螺仪、星敏感器测量的三轴气浮台(4)姿态信息进行滤波和解算得到基座航天器姿态信息，姿态控制单元(22)依据当前姿态信息与机械臂期望运动路径实时运算姿态控制算法为反作用飞轮组(23)提供控制指令，反作用飞轮组(23)接受指令后输出相应力矩控制基座航天器姿态。上述过程中，干扰模拟与注入单元(12)向基座航天器姿控模块(2)中的姿态确定单元(21)与姿态控制单元(22)、多连杆机械臂测控模块姿态测量单元(32)、驱动控制单元(33)注入实时干扰，模拟系统面对外部、内部以及建模误差三类干扰的情形；数据存储分析与对比单元(13)实时存储不同控制算法下系统控制指令与当前姿态角及角速度信息，试验结束后进行整理分析，对比不同算法下的系统操作精度同时发现不足便于后续改进。
采用所述的验证装置，实现空间机械臂系统抗干扰姿态协调控制方法，包括以下步骤：
第一步，建立空间机械臂系统的动力学模型。
建立的空间机械臂系统动力学模型如下：
其中，H为依据拉格朗日法求解的空间机械臂系统参数矩阵；q为多维列向量，表示基座航天器的位移、三轴姿态角以及机械臂各关节角度，以四连杆空间机械臂系统平面运动研究为例，q＝[x y θ0 θ1 θ2 θ3 θ4]T，上标T表示所述矩阵的转置，x、y表示基座航天器平面内的位移，θ0、θ1、θ2、θ3、θ4分别表示基座航天器以及四个关节的角度；为q对时间的一阶导数，表示基座航天器的位移速度、三轴姿态角速度以及机械臂各关节转动角速度；为q对时间的二阶导数，表示基座航天器的位移加速度、三轴姿态角加速度以及机械臂各关节转动角加速度；为控制输入，F0为作用于基座航天器的力矩，τm为机械臂关节的驱动力矩；为外干扰，Jb为基座与末端速度之间的雅克比矩阵，Jm为关节与末端速度的雅克比矩阵，上标T表示所述矩阵的转置，Fe为机械臂末端受到的外力矩，为已知的非线性函数。
第二步，针对系统面对的外部干扰、内部干扰、建模误差三类干扰设计多源干扰观测器，针对机械臂轨迹跟踪设计反馈线性化控制器，针对基座航天器姿态控制设计一种基于动量反作用补偿方法的控制器。
第三步，将多源干扰观测器与机械臂和基座航天器的控制器复合，实现空间机械臂系统抗干扰姿态协调控制。
所述第二步多源干扰观测器设计如下：
其中为干扰d的估计；ξ为中间变量，L为干扰观测器增益矩阵；H0与等于未考虑干扰时系统动力学方程中系数矩阵H与已知非线性函数此干扰观测器针对基座航天器与机械臂的耦合系统所设计，干扰估计值中包含了机械臂的干扰估计值分量与基座航天器干扰估计值分量
所述第二步机械臂轨迹跟踪反馈线性化控制器设计如下：
设计机械臂控制器时，考虑机械臂相对基座的运动，不考虑基座本身所受外力的影响，忽略外界干扰，重写系统动力学方程如下：
其中q1为基座航天器位移与三轴姿态角，q2为机械臂各关节运动角度，由此得：
定义q2d为机械臂各个关节的期望跟踪轨迹，跟踪误差e2q＝q2-q2d，则有其中u＝Kx。令则有其中I为单位矩阵，由此设计合适的增益K就可以使得机械臂在控制率作用下渐进跟踪给定的期望轨迹。
所述第二步基座航天器基于动量反作用补偿方法的姿态控制器设计如下：
其中K1为比例控制器增益，K2为微分控制器增益，K3为动量控制器增益；l为系统总角动量；Is、Im、Iw分别为基座航天器、机械臂和飞轮的转动惯量；ω为飞轮转速，θ0与θ0d分别为基座航天器姿态角与期望姿态角，与分别为基座航天器姿态角速度与期望姿态角速度。将因机械臂运动引起的基座角动量变化超前地引入控制器中，与干扰观测器复合后输入反作用飞轮进行基座航天器姿态控制。在不考虑外界干扰因素时，系统角动量守恒，为保持基座姿态稳定，此时可以设此时控制形式为：
所述第三步将多源干扰观测器与机械臂和基座航天器的控制器复合方法如下：
机械臂轨迹跟踪反馈线性化控制器与干扰观测器复合后控制输出为：
其中τm为原反馈线性化控制器输出，为机械臂的干扰估计值。
基座航天器基于动量反作用补偿方法的姿态控制器与干扰观测器复合后控制输出为：
其中τw为原姿态控制器输出，为基座航天器的干扰估计值，复合后的控制信号输入反作用飞轮进行基座航天器的姿态控制。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1、本发明提出的一种空间机械臂系统抗干扰姿态协调验证装置可用于空间机械臂系统的地面全物理仿真实验。具有成本低、易维护、精度高的特点，包含干扰模拟与注入单元，能实现对空间复杂干扰环境下各类空间机械臂系统控制算法的地面验证。数据存储分析与对比单元实时存储实验中各类算法控制输入指令与系统姿态输出信息，便于查找问题、整定参数、改进算法设计。
2、本发明提出的一种空间机械臂系统抗干扰姿态协调控制方法，基于动量的反作用补偿原理，结合基于干扰观测器的抗干扰复合控制法。实现了对因机械臂运动而造成基座航天器姿态变化的前馈补偿与多源复杂干扰环境下的抗干扰姿态控制，经所述验证装置证实了有效性，提升了空间机械臂系统的在轨精细作业能力。
附图说明
图1为本发明一种空间机械臂系统抗干扰姿态协调控制验证装置的数据流回路；
图2为本发明一种空间机械臂系统抗干扰姿态协调控制方法设计流程图。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。
一种空间机械臂系统抗干扰姿态协调验证装置，由三轴气浮台(4)，多连杆机械臂测控模块(3)，基座航天器姿控模块(2)，中央控制模块(1)四部分组成；其中三轴气浮台(4)模拟基座航天器，同时为多连杆机械臂测控模块与基座航天器姿控模块提供空间力学环境；多连杆机械臂测控模块(3)安装于三轴气浮台(4)台面，包含路径规划单元(31)、姿态测量单元(32)、驱动控制单元(33)与机械臂无线通信单元(34)，用于验证多连杆机械臂的在轨操作；基座航天器姿控模块(2)安装于三轴气浮台(4)台面，包含姿态确定单元(21)、姿态控制单元(22)、反作用飞轮组(23)与姿控数据无线收发单元(24)，用于调节控制三轴气浮台(4)模拟的基座航天器姿态；中央控制模块(1)包括试验主控单元(11)、干扰模拟与注入单元(12)、数据存储分析与对比单元(13)以及中央指令无线传输单元(14)，试验主控单元(11)存储多种空间机械臂系统控制算法，可上传至基座航天器姿态控制单元(22)和机械臂驱动控制单元(33)，实现不同控制算法的切换，干扰模拟与注入单元(12)用于向基座航天器姿态确定单元(21)与姿态控制单元(22)、多连杆机械臂测控模块姿态测量单元(32)、驱动控制单元(33)发送干扰信号，模拟系统在面对内部干扰、外部干扰以及建模误差下的情形，数据存储分析与对比单元(13)用于实时存储系统控制指令与当前姿态角及角速度信息用于不同控制算法下系统操作精度的对比验证；中央控制模块(1)中试验主控单元(11)、干扰模拟与注入单元(12)、数据存储分析与对比单元(13)以及中央指令无线传输单元(14)之间的通信协调由模块内信号回路实现，中央指令无线传输单元(14)负责中央控制模块(1)与三轴气浮台(4)、基座航天器姿控模块(2)、多连杆机械臂测控模块(3)间的信息交互；基座航天器姿控模块(2)中的姿态确定单元(21)、姿态控制单元(22)、反作用飞轮组(23)与姿控数据无线收发单元(24)之间的通信协调由模块内信号回路实现，姿控数据无线收发单元(24)负责基座航天器姿控模块(2)与三轴气浮台(4)、中央控制模块(1)、多连杆机械臂测控模块(3)间的信息交互；多连杆机械臂测控模块(3)中的路径规划单元(31)、姿态测量单元(32)、驱动控制单元(33)与机械臂无线通信单元(34)之间的通信协调由模块内信号回路实现，机械臂无线通信单元(34)负责多连杆机械臂测控模块(3)与三轴气浮台(4)、中央控制模块(1)、基座航天器姿控模块(2)间的信息交互；所述装置信号流如下：试验主控单元(11)选定系统控制算法，上传至基座航天器姿控模块(2)中的姿态控制单元(22)和多连杆机械臂测控模块(3)中的驱动控制单元(33)，随后多连杆机械臂测控模块3中的路径规划单元(31)给定机械臂期望运动路径，姿态测量单元(32)通过关节角度传感器获取机械臂各关节角度与角速度信息，机械臂驱动控制单元(33)实时运行控制算法，为机械臂关节驱动电机提供控制指令。基座航天器姿控模块(2)中，姿态确定单元(21)对陀螺仪、星敏感器测量的三轴气浮台(4)姿态信息进行滤波和解算得到基座航天器姿态信息，姿态控制单元(22)依据当前姿态信息与机械臂期望运动路径实时运算姿态控制算法为反作用飞轮组(23)提供控制指令，反作用飞轮组(23)接受指令后输出相应力矩控制基座航天器姿态。上述过程中，干扰模拟与注入单元(12)向基座航天器姿控模块(2)中的姿态确定单元(21)与姿态控制单元(22)、多连杆机械臂测控模块姿态测量单元(32)、驱动控制单元(33)注入实时干扰，模拟系统面对外部、内部以及建模误差三类干扰的情形；数据存储分析与对比单元(13)实时存储不同控制算法下系统控制指令与当前姿态角及角速度信息，试验结束后进行整理分析，对比不同算法下的系统操作精度同时发现不足便于后续改进。
如图2所示，一种空间机械臂系统抗干扰姿态协调控制方法，包括以下步骤：
第一步，首先，建立空间机械臂系统动力学模型；
建立的空间机械臂系统动力学模型如下：
其中，以搭载四连杆机械臂的空间机械臂系统平面运动为例，下表所示为所研究系统各项参数。
H为依据拉格朗日法求解的空间机械臂系统7×7参数矩阵；q＝[x y θ0 θ1 θ2 θ3θ4]T，上标T表示所述矩阵的转置，x、y表示基座航天器平面内的位移，θ0、θ1、θ2、θ3、θ4分别表示基座航天器以及四个关节的角度；为q对时间的一阶导数，表示基座航天器的位移速度、姿态角速度以及机械臂各关节转动角速度；为q对时间的二阶导数，表示基座航天器的位移加速度、姿态角加速度以及机械臂各关节转动角加速度；为控制输入，F0为作用于基座航天器的力矩，τm为机械臂关节的驱动力矩；为外干扰，Jb为基座与末端速度之间的雅克比矩阵，Jm为关节与末端速度的雅克比矩阵，Fe为机械臂末端受到的外力矩；为已知的非线性函数。
在此可设定注入干扰为：
通过干扰模拟与注入单元导入基座航天器位移与姿态角通道x、y、θ0，以及机械臂关节角通道θ1、θ2、θ3、θ4。
第二步，针对系统面对的外部干扰、内部干扰、建模误差三类干扰设计多源干扰观测器，针对机械臂轨迹跟踪设计反馈线性化控制器，针对基座航天器姿态控制设计一种基于动量反作用补偿方法的控制器。
所述多源干扰观测器如下：
其中为干扰d的估计；ξ为中间变量，L为干扰观测器增益矩阵；H0与等于未考虑干扰时系统动力学方程中系数矩阵H与已知非线性函数此干扰观测器针对基座航天器与机械臂的耦合系统所设计，干扰估计值中包含了机械臂的干扰估计值分量与基座航天器干扰估计值分量
所述机械臂轨迹跟踪反馈线性化控制器如下：
设计机械臂控制器时，考虑机械臂相对基座的运动，不考虑基座本身所受外力的影响，忽略外界干扰，重写系统动力学方程如下：
其中q1为基座航天器位移与三轴姿态角，q2为机械臂各关节运动角度，由此得：
定义q2d为机械臂各个关节的期望跟踪轨迹，跟踪误差e2q＝q2-q2d，则有其中u＝Kx。令则有其中由此设计合适的增益K就可以使得机械臂在控制率作用下渐进跟踪给定的期望轨迹。
所述基座航天器基于动量反作用补偿方法的姿态控制器如下：
其中K1为比例控制器增益，K2为微分控制器增益，K3为动量控制器增益，可以选取K1＝10、K2＝100、K3＝0.1，三个参数的选取原则与传统PID参数整定方法类似，可借助经验法、衰减曲线法、响应曲线法等手段选取合理参数、确保系统稳定性；l为系统总角动量；Is＝8.36、Im＝[1.05,1.05,1.05,1.05]、Iw＝1.2分别为基座航天器、四连杆机械臂和飞轮的转动惯量，单位kg·m2；ω为飞轮转速，单位rad/s。将因机械臂运动引起的基座角动量变化超前地引入控制器中，与干扰观测器复合后输入反作用飞轮进行基座航天器姿态控制。这一设计提高了姿态控制精度，改善了系统稳定性能。在不考虑外界干扰因素时，系统角动量守恒，为保持基座姿态稳定，此时可以设此时控制形式为：
第三步，将多源干扰观测器与机械臂和基座航天器的控制器复合，实现空间机械臂系统抗干扰姿态协调控制。所述多源干扰观测器与机械臂和基座航天器的控制器复合如下：
机械臂轨迹跟踪反馈线性化控制器与干扰观测器复合后控制输出为：
其中τm为原反馈线性化控制器输出，为机械臂的干扰估计值。
基座航天器基于动量反作用补偿方法的姿态控制器与干扰观测器复合后控制输出为：
其中τw为原姿态控制器输出，为基座航天器的干扰估计值，复合后的控制信号输入反作用飞轮进行基座航天器的姿态控制。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (6)
1.一种空间机械臂系统抗干扰姿态协调验证装置，其特征在于：所述验证装置由三轴气浮台(4)，多连杆机械臂测控模块(3)，基座航天器姿控模块(2)，中央控制模块(1)四部分组成；其中三轴气浮台(4)模拟基座航天器，同时为多连杆机械臂测控模块与基座航天器姿控模块提供空间力学环境；多连杆机械臂测控模块(3)安装于三轴气浮台(4)台面，包含路径规划单元(31)、姿态测量单元(32)、驱动控制单元(33)与机械臂无线通信单元(34)，用于验证多连杆机械臂的在轨操作；基座航天器姿控模块(2)安装于三轴气浮台(4)台面，包含姿态确定单元(21)、姿态控制单元(22)、反作用飞轮组(23)与姿控数据无线收发单元(24)，用于调节控制三轴气浮台(4)模拟的基座航天器姿态；中央控制模块(1)包括试验主控单元(11)、干扰模拟与注入单元(12)、数据存储分析与对比单元(13)以及中央指令无线传输单元(14)，试验主控单元(11)存储多种空间机械臂系统控制算法，可上传至基座航天器姿态控制单元(22)和机械臂驱动控制单元(33)，实现不同控制算法的切换，干扰模拟与注入单元(12)用于向基座航天器姿态确定单元(21)与姿态控制单元(22)、多连杆机械臂测控模块姿态测量单元(32)、驱动控制单元(33)发送干扰信号，模拟系统在面对内部干扰、外部干扰以及建模误差下的情形，数据存储分析与对比单元(13)用于实时存储系统控制指令与当前姿态角及角速度信息用于不同控制算法下系统操作精度的对比验证；中央控制模块(1)中试验主控单元(11)、干扰模拟与注入单元(12)、数据存储分析与对比单元(13)以及中央指令无线传输单元(14)之间的通信协调由模块内信号回路实现，中央指令无线传输单元(14)负责中央控制模块(1)与三轴气浮台(4)、基座航天器姿控模块(2)、多连杆机械臂测控模块(3)间的信息交互；基座航天器姿控模块(2)中的姿态确定单元(21)、姿态控制单元(22)、反作用飞轮组(23)与姿控数据无线收发单元(24)之间的通信协调由模块内信号回路实现，姿控数据无线收发单元(24)负责基座航天器姿控模块(2)与三轴气浮台(4)、中央控制模块(1)、多连杆机械臂测控模块(3)间的信息交互；多连杆机械臂测控模块(3)中的路径规划单元(31)、姿态测量单元(32)、驱动控制单元(33)与机械臂无线通信单元(34)之间的通信协调由模块内信号回路实现，机械臂无线通信单元(34)负责多连杆机械臂测控模块(3)与三轴气浮台(4)、中央控制模块(1)、基座航天器姿控模块(2)间的信息交互；所述装置信号流如下：试验主控单元(11)选定系统控制算法，上传至基座航天器姿控模块(2)中的姿态控制单元(22)和多连杆机械臂测控模块(3)中的驱动控制单元(33)，随后多连杆机械臂测控模块3中的路径规划单元(31)给定机械臂期望运动路径，姿态测量单元(32)通过关节角度传感器获取机械臂各关节角度与角速度信息，机械臂驱动控制单元(33)实时运行控制算法，为机械臂关节驱动电机提供控制指令；基座航天器姿控模块(2)中，姿态确定单元(21)对陀螺仪、星敏感器测量的三轴气浮台(4)姿态信息进行滤波和解算得到基座航天器姿态信息，姿态控制单元(22)依据当前姿态信息与机械臂期望运动路径实时运算姿态控制算法为反作用飞轮组(23)提供控制指令，反作用飞轮组(23)接受指令后输出相应力矩控制基座航天器姿态；干扰模拟与注入单元(12)向基座航天器姿控模块(2)中的姿态确定单元(21)与姿态控制单元(22)、多连杆机械臂测控模块姿态测量单元(32)、驱动控制单元(33)注入实时干扰，模拟系统面对外部、内部以及建模误差三类干扰的情形；数据存储分析与对比单元(13)实时存储不同控制算法下系统控制指令与当前姿态角及角速度信息，试验结束后进行整理分析，对比不同算法下的系统操作精度同时发现不足便于后续改进。
2.一种基于权利要求1所述验证装置的空间机械臂系统抗干扰姿态协调控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步，建立空间机械臂系统的动力学模型；
建立的空间机械臂系统动力学模型如下：
其中，H为依据拉格朗日法求解的空间机械臂系统参数矩阵；q为多维列向量，表示基座航天器的位移、三轴姿态角以及机械臂各关节角度，以四连杆空间机械臂系统平面运动研究为例，q＝[x y θ0 θ1 θ2 θ3 θ4]T，上标T表示所述矩阵的转置，x、y表示基座航天器平面内的位移，θ0、θ1、θ2、θ3、θ4分别表示基座航天器以及四个关节的角度；为q对时间的一阶导数，表示基座航天器的位移速度、三轴姿态角速度以及机械臂各关节转动角速度；为q对时间的二阶导数，表示基座航天器的位移加速度、三轴姿态角加速度以及机械臂各关节转动角加速度；为控制输入，F0为作用于基座航天器的力矩，τm为机械臂关节的驱动力矩；为外干扰，Jb为基座与末端速度之间的雅克比矩阵，Jm为关节与末端速度的雅克比矩阵，上标T表示所述矩阵的转置，Fe为机械臂末端受到的外力矩，为已知的非线性函数；
第二步，针对系统面对的外部干扰、内部干扰、建模误差三类干扰设计多源干扰观测器，针对机械臂轨迹跟踪设计反馈线性化控制器，针对基座航天器姿态控制设计一种基于动量反作用补偿方法的控制器；
第三步，将多源干扰观测器与机械臂和基座航天器的控制器复合，实现空间机械臂系统抗干扰姿态协调控制。
3.根据权利要求2所述的空间机械臂系统抗干扰姿态协调控制方法，其特征在于：所述第二步多源干扰观测器设计如下：
其中为干扰d的估计；ξ为中间变量，L为干扰观测器增益矩阵；H0与等于未考虑干扰时系统动力学方程中系数矩阵H与已知非线性函数此干扰观测器针对基座航天器与机械臂的耦合系统所设计，干扰估计值中包含了机械臂的干扰估计值分量与基座航天器干扰估计值分量
4.根据权利要求2所述的空间机械臂系统抗干扰姿态协调控制方法，其特征在于：所述第二步机械臂轨迹跟踪反馈线性化控制器设计如下：
设计机械臂控制器时，考虑机械臂相对基座的运动，不考虑基座本身所受外力的影响，忽略外界干扰，重写系统动力学方程如下：
其中q1为基座航天器位移与三轴姿态角，q2为机械臂各关节运动角度，由此得：
定义q2d为机械臂各个关节的期望跟踪轨迹，跟踪误差e2q＝q2-q2d，则有其中u＝Kx；令则有其中I为单位矩阵，由此设计合适的增益K就可以使得机械臂在控制率作用下渐进跟踪给定的期望轨迹。
5.根据权利要求2所述的空间机械臂系统抗干扰姿态协调控制方法，其特征在于：所述第二步基座航天器基于动量反作用补偿方法的姿态控制器设计如下：
其中K1为比例控制器增益，K2为微分控制器增益，K3为动量控制器增益；l为系统总角动量；Is、Im、Iw分别为基座航天器、机械臂和飞轮的转动惯量；ω为飞轮转速，θ0与θ0d分别为基座航天器姿态角与期望姿态角，与分别为基座航天器姿态角速度与期望姿态角速度；将因机械臂运动引起的基座角动量变化超前地引入控制器中，与干扰观测器复合后输入反作用飞轮进行基座航天器姿态控制；在不考虑外界干扰因素时，系统角动量守恒，为保持基座姿态稳定，此时可以设此时控制形式为：
6.根据权利要求2所述的空间机械臂系统抗干扰姿态协调控制方法，其特征在于：所述第三步将多源干扰观测器与机械臂和基座航天器的控制器复合方法如下：
机械臂轨迹跟踪反馈线性化控制器与干扰观测器复合后控制输出为：
其中τm为原反馈线性化控制器输出，为机械臂的干扰估计值；
基座航天器基于动量反作用补偿方法的姿态控制器与干扰观测器复合后控制输出为：
其中τw为原姿态控制器输出，为基座航天器的干扰估计值，复合后的控制信号输入反作用飞轮进行基座航天器的姿态控制。
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