CN113305831B - 空间机械臂自适应协调控制的位置观测器设计方法及系统 - Google Patents

空间机械臂自适应协调控制的位置观测器设计方法及系统 Download PDF

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CN113305831B CN202110481248.4A CN202110481248A CN113305831B CN 113305831 B CN113305831 B CN 113305831B CN 202110481248 A CN202110481248 A CN 202110481248A CN 113305831 B CN113305831 B CN 113305831B
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    • B25J9/1628—Programme controls characterised by the control loop
    • B25J9/163—Programme controls characterised by the control loop learning, adaptive, model based, rule based expert control

Abstract

一种空间机械臂自适应协调控制的位置观测器设计方法及系统，包括：建立空间机械臂的扩展运动学模型；确定航天器参考角速度，设计任务空间位置观测器；确定机械臂关节参考速度；确定空间机械臂自适应动力学协调控制律和参数更新律；采用得到的自适应动力学协调控制律和参数更新律，实现航天器姿态调节和末端执行器对任务空间中期望轨迹的跟踪。本发明基于任务空间位置观测器设计了空间机械臂自适应动力学协调控制器，能够在空间机械臂系统参数存在不确知性的情况下，仅仅通过控制机械臂的运动就可以同时达到机械臂末端轨迹跟踪与基座航天器姿态调节的目的。

Description

空间机械臂自适应协调控制的位置观测器设计方法及系统
技术领域
本发明涉及一种用于空间机械臂自适应动力学协调控制的任务空间位置观测器设计方法，属于机械臂动力学控制领域。
背景技术
在轨服务通常由配备有机械臂的追踪航天器(称之为空间机械臂系统)来完成。其中，作为基座的卫星称为基座航天器。区别于地面机械臂，空间机械臂系统的基座不是固定的，机械臂的运动会对基座航天器的姿态造成干扰。考虑到对地通信和对日定向等要求，通常希望将基座航天器保持在期望姿态。为此，需要合理规划控制机械臂的运动，使得机械臂的运动对基座航天器姿态无干扰。反作用零空间方法是一种有效的协调控制方法，它能保证机械臂运动所产生的角动量为零，从而不会对基座航天器的姿态产生干扰。该方法是一种运动学控制方法，相较于动力学控制方法，运动学控制方法的能量消耗较大；而且，该方法还需要空间机械臂系统的运动学和动力学参数精确已知。然而，在空间任务中，由于地面标定误差、在轨燃料消耗等因素，很难获得空间机械臂系统的精确参数。
因此，在空间机械臂系统参数存在不确知性的情况下，研究机械臂与基座航天器之间的自适应动力学协调控制方法很有意义。但是，该控制方法需要对空间机械臂末端速度进行测量，而对机械臂任务空间速度的测量会引入噪声。
发明内容
本发明的目的在于：克服现有技术的不足，提供一种用于空间机械臂自适应动力学协调控制的任务空间位置观测器设计方法，解决了空间机械臂自适应动力学协调控制器设计中任务空间速度测量引入噪声的问题。
本发明目的通过如下技术方案予以实现：
一种空间机械臂自适应协调控制的位置观测器设计方法，步骤如下：
1)建立空间机械臂的扩展运动学模型；
空间机械臂的扩展运动学模型的具体形式为：
Figure BDA0003049358620000021
其中，
Figure BDA0003049358620000022
为航天器的惯量矩阵，
Figure BDA0003049358620000023
为对应于航天器的雅克比矩阵，
Figure BDA0003049358620000024
为对应于机械臂的雅克比矩阵；
Figure BDA0003049358620000025
为航天器和机械臂的耦合惯量矩阵，
Figure BDA0003049358620000026
为机械臂关节速度；
Figure BDA0003049358620000027
为航天器相对于惯性系的角速度，并且表示在航天器本体系中；
Figure BDA0003049358620000028
为扩展运动学回归矩阵，Z1为回归矩阵，Z2为运动学回归矩阵，
Figure BDA0003049358620000029
被称为扩展运动学参数，ak,1为一组物理参数，ak,2为空间机械臂系统运动学参数。
2)确定航天器参考角速度，设计任务空间位置观测器；
确定航天器参考角速度和设计任务空间位置观测器的具体过程为：
当空间机械臂系统的扩展运动学参数和动力学参数未知时，确定航天器参考角速度ωbr满足如下方程：
Figure BDA00030493586200000210
其中，ωbr(0)＝ωb(0)，
Figure BDA00030493586200000224
为ωbr对时间的导数，
Figure BDA00030493586200000211
分别对应为Mbb、Mbm、Cbb、Cbm的估计，
Figure BDA00030493586200000212
为
Figure BDA00030493586200000213
的估计，将Mbb中的参数ak,1用ak,1的估计值
Figure BDA00030493586200000214
替换得到
Figure BDA00030493586200000215
K＝diag([Kb,Km)]，Kb,Km,Kbs为正定对称矩阵，sb＝ωb-ωbr为航天器滑模变量，
Figure BDA00030493586200000216
为机械臂关节空间参考速度，
Figure BDA00030493586200000217
为
Figure BDA00030493586200000218
对时间的导数；λb为一正数，Δ∈bv为航天器的姿态误差矩阵
Figure BDA00030493586200000219
对应的误差四元数的矢量部分，Rb,Rbd分别为航天器的当前姿态矩阵与期望姿态矩阵；
Figure BDA00030493586200000220
Figure BDA00030493586200000221
为机械臂末端位姿的估计，
Figure BDA00030493586200000222
为机械臂末端期望速度，α为一正数，
Figure BDA00030493586200000223
为任务空间位置观测信号。
为避免任务空间速度测量引入噪声，设计了一种简单的任务空间位置观测器。观测器方程由下式给出
Figure BDA0003049358620000031
其中，
Figure BDA0003049358620000032
为对称正定矩阵，Δx＝x-xd为机械臂末端位置跟踪误差，
Figure BDA0003049358620000033
为机械臂末端在惯性空间中的位姿，
Figure BDA00030493586200000324
为机械臂末端期望轨迹。
3)确定机械臂关节参考速度；
机械臂关节参考速度为：
Figure BDA0003049358620000034
其中，
Figure BDA0003049358620000035
为
Figure BDA0003049358620000036
的估计，
Figure BDA0003049358620000037
为
Figure BDA0003049358620000038
的经典伪逆，
Figure BDA0003049358620000039
为任务空间参考速度，由下式给出
Figure BDA00030493586200000310
4)确定空间机械臂自适应动力学协调控制律和参数更新律；
空间机械臂自适应动力学协调控制律和参数更新律的具体过程为：
定义变量如下
Figure BDA00030493586200000311
其中，
Figure BDA00030493586200000312
Figure BDA00030493586200000313
为机械臂末端速度跟踪误差，
Figure BDA00030493586200000314
为扩展运动学参数估计误差；
参数未知情况下，空间机械臂的动力学方程为如下线性参数化的形式
Figure BDA00030493586200000325
Figure BDA00030493586200000315
其中，
Figure BDA00030493586200000316
分别对应为Mbm、Mmm、Cmb、Cmm的估计，
Figure BDA00030493586200000317
与
Figure BDA00030493586200000318
为动力学回归矩阵，
Figure BDA00030493586200000319
为动力学参数ad的估计，
Figure BDA00030493586200000320
为机械臂关节位置，
Figure BDA00030493586200000321
Figure BDA00030493586200000322
为
Figure BDA00030493586200000323
对时间的导数；
在空间机械臂运动学参数和动力学参数未知时，采用如下的自适应控制律
Figure BDA0003049358620000041
其中，
Figure BDA0003049358620000042
为正定对称矩阵，
Figure BDA0003049358620000043
为机械臂关节空间滑模变量。
动力学参数的估计值
Figure BDA0003049358620000047
和扩展运动学参数的估计值
Figure BDA0003049358620000048
分别由如下自适应律进行更新
Figure BDA0003049358620000044
Figure BDA0003049358620000049
其中，
Figure BDA0003049358620000045
Γd,Γk为正定对称矩阵。
5)采用步骤4)得到的自适应控制律和参数更新律，实现基座航天器姿态调节、机械臂末端轨迹跟踪、任务空间位置观测器的观测误差收敛，即当t→∞时，ωb→0，Rb→Rbd，xo-x→0，Δx→0，
Figure BDA0003049358620000046
进一步的，本发明还提出一种空间机械臂自适应协调控制的位置观测器设计系统，包括：
扩展运动学模型建立模块：建立空间机械臂的扩展运动学模型；
参考角速度计算模块：确定航天器参考角速度，设计任务空间位置观测器；
关节参考速度计算模块：确定机械臂关节参考速度；
控制律确定模块：确定空间机械臂自适应动力学协调控制律和参数更新律；
姿控和跟踪模块：采用得到的自适应动力学协调控制律和参数更新律，实现航天器姿态调节和末端执行器对任务空间中期望轨迹的跟踪。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明采用任务空间位置观测器来估计任务空间速度，从而避免了任务空间速度测量所引入的噪声。
(2)本发明公开的自适应动力学协调控制算法无需测量航天器角加速度，因此本发明中方法具有较强的鲁棒性。
(3)本发明公开的方法仅仅通过适当控制机械臂的运动，便可同时实现机械臂末端轨迹跟踪和基座航天器姿态调节，可以节省星上燃料。
(4)本发明公开的方法能够处理空间机械臂系统参数存在不确知性的情况，而参数不确知性在工程中广泛存在，因此本发明中方法具有较强的实用性。
(5)本发明公开了一种用于空间机械臂自适应动力学协调控制的任务空间位置观测器设计方法，然后基于该观测器设计了空间机械臂自适应动力学协调控制器，能够在空间机械臂系统参数存在不确知性的情况下，仅仅通过控制机械臂的运动就可以同时达到机械臂末端轨迹跟踪与基座航天器姿态调节的目的。
附图说明
图1为三自由度平面构型自由漂浮空间机械臂示意图；
图2为基座航天器姿态角变化曲线；
图3为机械臂末端位置跟踪误差曲线；
图4为任务空间位置观测器位置观测误差曲线。
具体实施方式
本发明提出一种用于空间机械臂自适应动力学协调控制的任务空间位置观测器设计方法，在深入分析空间机械臂系统运动学、动力学特性的基础上，首先对经典的空间机械臂运动学方程进行扩维，得到能够同时描述机械臂末端运动与航天器姿态运动的空间机械臂“扩展运动学方程”。
然后，在深入挖掘利用空间机械臂系统动力学方程和角动量守恒方程特性的基础上，定义航天器参考速度和关节空间参考速度，并基于此设计机械臂自适应动力学协调控制器。该控制器包括三部分——转置雅克比反馈、滑模反馈和动力学补偿。为避免任务空间速度测量所引入的噪声，设计了一种简单的任务空间位置观测器。
最后，应用输入输出稳定性理论，证明了该控制算法的稳定性和航天器姿态调节误差、末端执行器轨迹跟踪误差、任务空间位置观测器位置观测误差的渐近收敛性。本发明公开的一种用于空间机械臂自适应动力学协调控制的任务空间位置观测器设计方法，为避免任务空间速度测量所引入的噪声，设计了一种简单的任务空间位置观测器。基于该观测器设计了空间机械臂自适应动力学协调控制器，能够在空间机械臂系统参数存在不确知性的情况下，仅仅通过控制机械臂的运动就可以同时达到机械臂末端轨迹跟踪与基座航天器姿态调节的目的。
如图1所示，基于三自由度平面构型的自由漂浮空间机械臂系统，验证本发明所公开的自适应动力学协调控制算法。机械臂采用串联结构，只能在平面内运动。基座航天器在平面内平动，亦可绕垂直于平面的轴转动。基座航天器的姿轨控系统处于关闭状态。在系统参数未知的情况下，通过设计机械臂关节控制力矩和参数自适应律，以同时达到基座航天器姿态调节与机械臂末端轨迹跟踪的目的。
具体的，本发明一种空间机械臂自适应协调控制的位置观测器设计方法，步骤如下：
1)建立空间机械臂的扩展运动学模型；
空间机械臂的扩展运动学模型的具体形式为：
Figure BDA0003049358620000061
其中，
Figure BDA0003049358620000062
为航天器的惯量矩阵，
Figure BDA0003049358620000063
为对应于航天器的雅克比矩阵，
Figure BDA0003049358620000064
为对应于机械臂的雅克比矩阵；
Figure BDA0003049358620000065
为航天器和机械臂的耦合惯量矩阵，
Figure BDA0003049358620000066
为机械臂关节速度；
Figure BDA0003049358620000067
为航天器相对于惯性系的角速度，并且表示在航天器本体系中；
Figure BDA0003049358620000071
为扩展运动学回归矩阵，Z1为回归矩阵，Z2为运动学回归矩阵，
Figure BDA0003049358620000072
被称为扩展运动学参数，ak,1为一组物理参数，ak,2为空间机械臂系统运动学参数。
2)确定航天器参考角速度，设计任务空间位置观测器；
确定航天器参考角速度和设计任务空间位置观测器的具体过程为：
当空间机械臂系统的扩展运动学参数和动力学参数未知时，确定航天器参考角速度ωbr满足如下方程：
Figure BDA0003049358620000073
其中，ωbr(0)＝ωb(0)，
Figure BDA0003049358620000074
为ωbr对时间的导数，
Figure BDA0003049358620000075
分别对应为Mbb、Mbm、Cbb、Cbm的估计，
Figure BDA0003049358620000076
为
Figure BDA0003049358620000077
的估计，将Mbb中的参数ak,1用ak,1的估计值
Figure BDA0003049358620000078
替换得到
Figure BDA0003049358620000079
K＝diag([Kb,Km)]，Kb,Km,Kbs为正定对称矩阵，sb＝ωb-ωbr为航天器滑模变量，
Figure BDA00030493586200000710
为机械臂关节空间参考速度，
Figure BDA00030493586200000711
为
Figure BDA00030493586200000712
对时间的导数；λb为一正数，Δ∈bv为航天器的姿态误差矩阵
Figure BDA00030493586200000713
对应的误差四元数的矢量部分，Rb,Rbd分别为航天器的当前姿态矩阵与期望姿态矩阵；
Figure BDA00030493586200000714
Figure BDA00030493586200000715
为机械臂末端位姿的估计，
Figure BDA00030493586200000716
为机械臂末端期望速度，α为一正数，
Figure BDA00030493586200000717
为任务空间位置观测信号。
为避免任务空间速度测量引入噪声，设计了一种简单的任务空间位置观测器。观测器方程由下式给出
Figure BDA00030493586200000718
其中，
Figure BDA00030493586200000719
为对称正定矩阵，Δx＝x-xd为机械臂末端位置跟踪误差，
Figure BDA00030493586200000720
为机械臂末端在惯性空间中的位姿，
Figure BDA00030493586200000721
为机械臂末端期望轨迹。
3)确定机械臂关节参考速度；
机械臂关节参考速度为：
Figure BDA0003049358620000081
其中，
Figure BDA0003049358620000082
为
Figure BDA0003049358620000083
的估计，
Figure BDA0003049358620000084
为
Figure BDA0003049358620000085
的经典伪逆，
Figure BDA0003049358620000086
为任务空间参考速度，由下式给出
Figure BDA0003049358620000087
4)确定空间机械臂自适应动力学协调控制律和参数更新律；
空间机械臂自适应动力学协调控制律和参数更新律的具体过程为：
定义变量如下
Figure BDA0003049358620000088
其中，
Figure BDA0003049358620000089
Figure BDA00030493586200000810
为机械臂末端速度跟踪误差，
Figure BDA00030493586200000811
为扩展运动学参数估计误差；
参数未知情况下，空间机械臂的动力学方程为如下线性参数化的形式
Figure BDA00030493586200000826
Figure BDA00030493586200000812
其中，
Figure BDA00030493586200000813
分别对应为Mbm、Mmm、Cmb、Cmm的估计，
Figure BDA00030493586200000814
与
Figure BDA00030493586200000815
为动力学回归矩阵，
Figure BDA00030493586200000816
为动力学参数ad的估计，
Figure BDA00030493586200000817
为机械臂关节位置，
Figure BDA00030493586200000818
Figure BDA00030493586200000819
为
Figure BDA00030493586200000820
对时间的导数；
在空间机械臂运动学参数和动力学参数未知时，采用如下的自适应控制律
Figure BDA00030493586200000821
其中，
Figure BDA00030493586200000822
为正定对称矩阵，
Figure BDA00030493586200000823
为机械臂关节空间滑模变量。
动力学参数的估计值
Figure BDA00030493586200000825
和扩展运动学参数的估计值
Figure BDA00030493586200000824
分别由如下自适应律进行更新
Figure BDA0003049358620000091
Figure BDA0003049358620000092
其中，
Figure BDA0003049358620000093
Γd,Γk为正定对称矩阵。
5)采用步骤4)得到的自适应控制律和参数更新律，实现基座航天器姿态调节、机械臂末端轨迹跟踪、任务空间位置观测器的观测误差收敛，即当t→∞时，ωb→0，Rb→Rbd，xo-x→0，Δx→0，
Figure BDA0003049358620000094
本发明还提出一种空间机械臂自适应协调控制的位置观测器设计系统，包括：
扩展运动学模型建立模块：建立空间机械臂的扩展运动学模型；
参考角速度计算模块：确定航天器参考角速度，设计任务空间位置观测器；
关节参考速度计算模块：确定机械臂关节参考速度；
控制律确定模块：确定空间机械臂自适应动力学协调控制律和参数更新律；
姿控和跟踪模块：采用得到的自适应动力学协调控制律和参数更新律，实现航天器姿态调节和末端执行器对任务空间中期望轨迹的跟踪。
本发明方法实施例所涉及的仿真对象为在平面内运动的三自由度自由漂浮空间机械臂。在仿真中，航天器需要调节到期望姿态，机械臂末端执行器同时要跟踪任务空间中的一条期望轨迹。由于此空间机械臂在平面内运动，仅用qb就可以描述航天器的姿态。在仿真中，令qb＝0。机械臂末端执行器的期望轨迹为惯性空间中的一个圆。
图2为基座航天器姿态角曲线。由图2可知，航天器姿态角变化较小，最后稳定在0.02°以内。
图3为机械臂末端跟踪误差曲线。由图3可知，机械臂末端跟踪误差迅速衰减，最后稳定在0.005m以内。
图4为任务空间位置观测器位置观测误差曲线。由图4可知，机械臂任务空间位置观测误差快速趋于零。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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的公知技术。

Claims (6)

1.一种空间机械臂自适应协调控制的位置观测器设计方法，其特征在于步骤如下：
建立空间机械臂的扩展运动学模型；
确定航天器参考角速度，设计任务空间位置观测器；
确定机械臂关节参考速度；
确定空间机械臂自适应动力学协调控制律和参数更新律；
采用得到的自适应动力学协调控制律和参数更新律，实现航天器姿态调节和末端执行器对任务空间中期望轨迹的跟踪；
所述建立空间机械臂的扩展运动学模型的具体形式为：
Figure FDA0003775995690000011
其中，
Figure FDA0003775995690000012
为航天器的惯量矩阵，
Figure FDA0003775995690000013
为对应于航天器的雅克比矩阵，
Figure FDA0003775995690000014
为对应于机械臂的雅克比矩阵；
Figure FDA0003775995690000015
为航天器和机械臂的耦合惯量矩阵，
Figure FDA0003775995690000016
为机械臂关节速度；
Figure FDA0003775995690000017
为航天器相对于惯性系的角速度，并且表示在航天器本体系中；
Figure FDA0003775995690000018
为扩展运动学回归矩阵，Z1为回归矩阵，Z2为运动学回归矩阵，
Figure FDA0003775995690000019
为扩展运动学参数，ak,1为一组物理参数，ak,2为空间机械臂系统运动学参数；
所述确定航天器参考角速度的具体过程为：
当空间机械臂系统的扩展运动学参数和动力学参数未知时，确定航天器参考角速度ωbr满足如下方程：
Figure FDA00037759956900000110
其中，ωbr(0)＝ωb(0)，
Figure FDA00037759956900000111
为ωbr对时间的导数，
Figure FDA00037759956900000112
分别对应为Mbb、Mbm、Cbb、Cbm的估计，
Figure FDA00037759956900000113
为
Figure FDA00037759956900000114
的估计，将Mbb中的参数ak,1用ak,1的估计值
Figure FDA0003775995690000021
替换得到
Figure FDA0003775995690000022
K＝diag([Kb,Km)]，Kb,Km,Kbs为正定对称矩阵，sb＝ωb-ωbr为航天器滑模变量，
Figure FDA0003775995690000023
为机械臂关节空间参考速度，
Figure FDA0003775995690000024
为
Figure FDA0003775995690000025
对时间的导数；λb为一正数，Δ∈bv为航天器的姿态误差矩阵
Figure FDA0003775995690000026
对应的误差四元数的矢量部分，Rb,Rbd分别为航天器的当前姿态矩阵与期望姿态矩阵；
Figure FDA0003775995690000027
Figure FDA0003775995690000028
为机械臂末端位姿的估计，
Figure FDA0003775995690000029
为机械臂末端期望速度，α为一正数，
Figure FDA00037759956900000210
为任务空间位置观测信号；
任务空间位置观测器由下式给出
Figure FDA00037759956900000211
其中，
Figure FDA00037759956900000212
为对称正定矩阵，Δx＝x-xd为机械臂末端位置跟踪误差，
Figure FDA00037759956900000213
为机械臂末端在惯性空间中的位姿，
Figure FDA00037759956900000214
为机械臂末端期望轨迹。
2.根据权利要求1所述的一种空间机械臂自适应协调控制的位置观测器设计方法，其特征在于：所述确定机械臂关节参考速度的公式为：
Figure FDA00037759956900000215
其中，
Figure FDA00037759956900000216
为
Figure FDA00037759956900000217
的估计，
Figure FDA00037759956900000218
为
Figure FDA00037759956900000219
的经典伪逆，
Figure FDA00037759956900000220
为任务空间参考速度，由下式给出
Figure FDA00037759956900000221
3.根据权利要求2所述的一种空间机械臂自适应协调控制的位置观测器设计方法，其特征在于：确定空间机械臂自适应动力学协调控制律和参数更新律的具体过程为：
定义变量如下
Figure FDA00037759956900000222
其中，
Figure FDA00037759956900000223
Figure FDA00037759956900000224
为机械臂末端速度跟踪误差，
Figure FDA0003775995690000031
为扩展运动学参数估计误差；
参数未知情况下，空间机械臂的动力学方程为如下线性参数化的形式
Figure FDA0003775995690000032
Figure FDA0003775995690000033
其中，
Figure FDA0003775995690000034
分别对应为Mbm、Mmm、Cmb、Cmm的估计，
Figure FDA0003775995690000035
与
Figure FDA0003775995690000036
为动力学回归矩阵，
Figure FDA0003775995690000037
为动力学参数ad的估计，
Figure FDA0003775995690000038
为机械臂关节位置，
Figure FDA0003775995690000039
Figure FDA00037759956900000310
为
Figure FDA00037759956900000311
对时间的导数；
在空间机械臂运动学参数和动力学参数未知时，采用如下的自适应控制律
Figure FDA00037759956900000312
其中，
Figure FDA00037759956900000313
为正定对称矩阵，
Figure FDA00037759956900000314
为机械臂关节空间滑模变量；
动力学参数的估计值
Figure FDA00037759956900000315
和扩展运动学参数的估计值
Figure FDA00037759956900000316
分别由如下自适应律进行更新
Figure FDA00037759956900000317
Figure FDA00037759956900000318
其中，
Figure FDA00037759956900000319
Γd,Γk为正定对称矩阵。
4.根据权利要求3所述的一种空间机械臂自适应协调控制的位置观测器设计方法，其特征在于：实现航天器姿态调节和末端执行器对任务空间中期望轨迹的跟踪时，任务空间位置观测器的观测误差收敛，即当t→∞时，ωb→0，Rb→Rbd，xo-x→0，Δx→0，
Figure FDA00037759956900000320
5.一种根据权利要求1所述的空间机械臂自适应协调控制的位置观测器设计方法实现的空间机械臂自适应协调控制的位置观测器设计系统，其特征在于包括：
扩展运动学模型建立模块：建立空间机械臂的扩展运动学模型；
参考角速度计算模块：确定航天器参考角速度，设计任务空间位置观测器；
关节参考速度计算模块：确定机械臂关节参考速度；
控制律确定模块：确定空间机械臂自适应动力学协调控制律和参数更新律；
姿控和跟踪模块：采用得到的自适应动力学协调控制律和参数更新律，实现航天器姿态调节和末端执行器对任务空间中期望轨迹的跟踪；
所述建立空间机械臂的扩展运动学模型的具体形式为：
Figure FDA0003775995690000041
其中，
Figure FDA0003775995690000042
为航天器的惯量矩阵，
Figure FDA0003775995690000043
为对应于航天器的雅克比矩阵，
Figure FDA0003775995690000044
为对应于机械臂的雅克比矩阵；
Figure FDA0003775995690000045
为航天器和机械臂的耦合惯量矩阵，
Figure FDA0003775995690000046
为机械臂关节速度；
Figure FDA0003775995690000047
为航天器相对于惯性系的角速度，并且表示在航天器本体系中；
Figure FDA0003775995690000048
为扩展运动学回归矩阵，Z1为回归矩阵，Z2为运动学回归矩阵，
Figure FDA0003775995690000049
为扩展运动学参数，ak,1为一组物理参数，ak,2为空间机械臂系统运动学参数；
所述确定航天器参考角速度的具体过程为：
当空间机械臂系统的扩展运动学参数和动力学参数未知时，确定航天器参考角速度ωbr满足如下方程：
Figure FDA00037759956900000410
其中，ωbr(0)＝ωb(0)，
Figure FDA00037759956900000411
为ωbr对时间的导数，
Figure FDA00037759956900000412
分别对应为Mbb、Mbm、Cbb、Cbm的估计，
Figure FDA00037759956900000413
为
Figure FDA00037759956900000414
的估计，将Mbb中的参数ak,1用ak,1的估计值
Figure FDA00037759956900000415
替换得到
Figure FDA00037759956900000416
K＝diag([Kb,Km)]，Kb,Km,Kbs为正定对称矩阵，sb＝ωb-ωbr为航天器滑模变量，
Figure FDA0003775995690000051
为机械臂关节空间参考速度，
Figure FDA0003775995690000052
为
Figure FDA0003775995690000053
对时间的导数；λb为一正数，Δ∈bv为航天器的姿态误差矩阵
Figure FDA0003775995690000054
对应的误差四元数的矢量部分，Rb,Rbd分别为航天器的当前姿态矩阵与期望姿态矩阵；
Figure FDA0003775995690000055
Figure FDA0003775995690000056
为机械臂末端位姿的估计，
Figure FDA0003775995690000057
为机械臂末端期望速度，α为一正数，
Figure FDA0003775995690000058
为任务空间位置观测信号；
任务空间位置观测器由下式给出
Figure FDA0003775995690000059
其中，
Figure FDA00037759956900000510
为对称正定矩阵，Δx＝x-xd为机械臂末端位置跟踪误差，
Figure FDA00037759956900000511
为机械臂末端在惯性空间中的位姿，
Figure FDA00037759956900000512
为机械臂末端期望轨迹；
所述确定机械臂关节参考速度的公式为：
Figure FDA00037759956900000513
其中，
Figure FDA00037759956900000514
为
Figure FDA00037759956900000515
的估计，
Figure FDA00037759956900000516
为
Figure FDA00037759956900000517
的经典伪逆，
Figure FDA00037759956900000518
为任务空间参考速度，由下式给出
Figure FDA00037759956900000519
6.根据权利要求5所述的空间机械臂自适应协调控制的位置观测器设计系统，其特征在于：确定空间机械臂自适应动力学协调控制律和参数更新律的具体过程为：
定义变量如下
Figure FDA00037759956900000520
其中，
Figure FDA00037759956900000521
Figure FDA00037759956900000522
为机械臂末端速度跟踪误差，
Figure FDA00037759956900000523
为扩展运动学参数估计误差；
参数未知情况下，空间机械臂的动力学方程为如下线性参数化的形式
Figure FDA0003775995690000061
Figure FDA0003775995690000062
其中，
Figure FDA0003775995690000063
分别对应为Mbm、Mmm、Cmb、Cmm的估计，
Figure FDA0003775995690000064
与
Figure FDA0003775995690000065
为动力学回归矩阵，
Figure FDA0003775995690000066
为动力学参数ad的估计，
Figure FDA0003775995690000067
为机械臂关节位置，
Figure FDA0003775995690000068
Figure FDA0003775995690000069
为
Figure FDA00037759956900000610
对时间的导数；
在空间机械臂运动学参数和动力学参数未知时，采用如下的自适应控制律
Figure FDA00037759956900000611
其中，
Figure FDA00037759956900000612
为正定对称矩阵，
Figure FDA00037759956900000613
为机械臂关节空间滑模变量；
动力学参数的估计值
Figure FDA00037759956900000614
和扩展运动学参数的估计值
Figure FDA00037759956900000615
分别由如下自适应律进行更新
Figure FDA00037759956900000616
Figure FDA00037759956900000617
其中，
Figure FDA00037759956900000618
Γd,Γk为正定对称矩阵；
实现航天器姿态调节和末端执行器对任务空间中期望轨迹的跟踪时，任务空间位置观测器的观测误差收敛，即当t→∞时，ωb→0，Rb→Rbd，xo-x→0，Δx→0，
Figure FDA00037759956900000619
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9663252B1 (en) * 2016-12-07 2017-05-30 Beihang University Method for attitude controlling based on finite time friction estimation for flexible spacecraft
US9776741B1 (en) * 2016-06-02 2017-10-03 Beihang University Method for refined attitude control based on output feedback for flexible spacecraft
CN107450317A (zh) * 2017-08-16 2017-12-08 北京控制工程研究所 一种空间机械臂自适应动力学协调控制方法
CN108132601A (zh) * 2017-12-06 2018-06-08 西北工业大学 一种利用机械臂抑制航天器基座姿态干扰的方法
CN109927032A (zh) * 2019-03-28 2019-06-25 东南大学 一种基于高阶滑模观测器的机械臂轨迹跟踪控制方法
CN112180729A (zh) * 2020-10-09 2021-01-05 电子科技大学中山学院 一种机械臂自适应轨迹跟踪控制方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9776741B1 (en) * 2016-06-02 2017-10-03 Beihang University Method for refined attitude control based on output feedback for flexible spacecraft
US9663252B1 (en) * 2016-12-07 2017-05-30 Beihang University Method for attitude controlling based on finite time friction estimation for flexible spacecraft
CN107450317A (zh) * 2017-08-16 2017-12-08 北京控制工程研究所 一种空间机械臂自适应动力学协调控制方法
CN108132601A (zh) * 2017-12-06 2018-06-08 西北工业大学 一种利用机械臂抑制航天器基座姿态干扰的方法
CN109927032A (zh) * 2019-03-28 2019-06-25 东南大学 一种基于高阶滑模观测器的机械臂轨迹跟踪控制方法
CN112180729A (zh) * 2020-10-09 2021-01-05 电子科技大学中山学院 一种机械臂自适应轨迹跟踪控制方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
柔性空间机械臂在轨操作仿真与分析;黎凯等;《空间控制技术与应用》;20181015(第05期);第60-68页 *

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