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空间机器人的指数型预定时间轨迹规划与控制研究

空间机器人的指数型预定时间轨迹规划与控制研究

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作者：严文四川大学

学位级别：硕士

随着机器人技术在太空应用中的发展,能实现多种人类难以完成任务的空间机器人开始被各国学者广泛研究。其中,太空垃圾清理机器人因其独特的作用和现阶段地外太空垃圾泛滥问题而具有极大的实用和研究意义。在类型多样的太空垃圾清理机器... 详细信息

随着机器人技术在太空应用中的发展,能实现多种人类难以完成任务的空间机器人开始被各国学者广泛研究。其中,太空垃圾清理机器人因其独特的作用和现阶段地外太空垃圾泛滥问题而具有极大的实用和研究意义。在类型多样的太空垃圾清理机器人中,双臂空间机器人以其灵活度和可靠性赢得了众多研究者的关注。在太空机械臂的目标跟踪阶段,如何实现预定时间内高精度轨迹跟踪是一个重要研究问题。本文以六自由度的双臂空间机器人为研究对象,建立其在自由漂浮模式下的目标跟踪阶段运动模型,设计了指数型预定义时间关节角速度轨迹规划方法和轨迹跟踪控制策略。本文针对空间机器人控制理论及工程的研究内容可以具体分为三方面阐述:(1)运动建模及控制理论基础:首先通过多刚体运动学和动量守恒理论建立了一种双臂六自由度空间机器人系统的运动学方程;然后依据空间递推算子和牛顿—欧拉方程建立了该系统的动力学方程;接着在有限时间稳定理论基础上,首次研究了一种指数型预定义时间稳定系统:该指数型预定义时间稳定系统以实际应用为导向强调了小于1的正指数项是控制系统原点有限时间稳定到平衡点的充分条件,在数学上较为严格证明了小于1的正指数项是跟踪控制系统预定时间收敛到0的必要条件。进而基于该指数型预定义时间稳定系统首次设计了一种全局无奇异且不牺牲理论稳定时间的固定/预定义时间的广义终端滑模面,并给予了数学上和控制上较为严格的证明;最后介绍了本文研究对象的具体结构和参数设定。(2)指数型预定义时间关节空间轨迹规划:首先通过梯形速度级路径规划运动学解算中造成额外的末端执行器跟踪偏差。因此,从误差反馈控制的角度出发,将关节角速度看作控制量,根据预定义时间稳定性理论和进化算法优化策略,探究了一种快速消除附加算法所导致误差的平滑轨迹规划策略。同时,考虑地外空间漂浮的微陨石和太空器碎片可能导致的撞击风险,本文也将基于危险域的避碰轨迹规划策略和上述预定义时间误差反馈控制结合以获得快速回稳的高精度平滑跟踪轨迹。相对于现有的误差反馈轨迹规划策略,本文方法具有更平稳的轨迹和更快的收敛速度。(3)指数型预定义时间轨迹跟踪控制:以规划的关节角度及角速度轨迹作为控制系统的期望跟踪轨迹,研究了基于通用预定义时间非奇异终端滑模控制的双臂空间机器人鲁棒轨迹跟踪控制方法。针对固定/预定义时间终端滑模的固有奇异性,传统的饱和函数和奇异转移策略均会损害其收敛时间的有界性,本文基于滑模面切换思想首次设计了一类广义的保证全局预定时间收敛的非奇异终端滑模控制器设计策略。该类控制器较现有的各类非奇异固定/预定义时间终端控制策略,在数学上和控制上设计了能严格保证理论固定/预定义时间收敛的非奇异指数型终端滑模面并且该类型控制器结构更简易。该控制方法还可以扩展到高阶多输入多输出系统的固定/预定时间控制问题。本文主要贡献:(1)在跟踪控制理论的研究中,本文创新性的提出了一种指数型预定义时间稳定性系统及其广义构造函数,并且首次提出了一种理论上保证全局固定/预定义时间收敛的一般性非奇异终端滑模控制策略,同时给出了其预定义时间非奇义终端滑模面函数的较为通用的设计方法。(2)在空间机器人轨迹跟踪应用研究中,设计了一直保证空间机器人预定时间高精度跟踪上目标的规划和控制算法。本文基于MATLAB R2016A进行模拟太空环境下的规划和控制联合仿真验证。结果显示:空间机器臂动力系统在存在有界参数扰动和外部扰动的情况下可以精确跟踪上规划的关节轨迹,且收敛时间的实际上界可被预定为一个控制器显参数。

关键词：双臂空间机器人指数型预定义时间稳定系统轨迹规划无奇异终端滑模跟踪控制

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