全弹性空间机器人捕获航天器操作动力学建模及基于干扰观测器的镇定、振动有限时间控制研究

【作者】 艾海平； 于潇雁； 陈力；

【机构】 江西理工大学能源与机械工程学院； 福州大学机械工程及自动化学院；

【摘要】 随着人类太空探索活动的深入,因故障等原因失效的航天器日益增多,考虑空间资源的宝贵及失效航天器回收的经济价值,空间机器人在轨捕获操作技术的研究成为航天领域的重要发展方向。而由于发射技术与发射费用等原因,空间机械臂的杆件多是手臂长、质量轻、负载大,因此机械臂具备较大柔性。此外,应用谐波驱动引起的关节弹性与弹性导轨引起的基座弹性也不容忽视。上述多重弹性构件引起的振动是影响空间机器人高精度、稳定性作业的重要因素。因此对于空间机器在轨捕获操作的动力学与控制研究,必须对臂杆柔性、关节弹性、基座弹性加以考虑。针对臂杆、关节、基座全弹性影响下的空间机器人在轨捕获航天器的镇定、振动控制问题,提出了一种基于干扰观测器的有限时间镇定运动控制策略。首先,基于拉格朗日第二类方程建立全弹性空间机器人系统捕获操作前的动力学模型,同时运用牛顿-欧拉法得到目标航天器的动力学模型;之后,结合全系统动量守恒关系,捕获后系统运动几何关系及力的传递规律,建立了捕获后两者形成混合体系统的动力学模型,并计算了碰撞过程的冲击效应。其次,基于奇异摄动理论对系统刚性运动、关节弹性振动、基座弹性振动与柔性臂柔性运动进行解耦,建立了系统的奇异摄动模型。为实现慢变子系统的运动镇定,提出了一种基于干扰观测器的有限时间滑模控制器。所提方法可对系统扰动项实现有限时间内的估计,进而较快的实现失稳混合体系统的镇定;同时,结合虚拟力以实现柔性臂的振动抑制。针对快变子系统,采用线性二次型最优控制以抑制弹性基、弹性关节的振动。数值仿真结果表明,所提控制算法可实现失稳混合体系统的镇定及弹性振动的有效抑制。更多还原