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自由漂浮柔性空间机器人轨迹跟踪控制研究

作　者: 翟艳霞
导　师: 胡庆雷
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 柔性空间机器人轨迹跟踪终端滑模输入饱和主动振动抑制输入成型
分类号: TP242.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 55次
引　用: 1次
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内容摘要

随着机器人技术的发展和空间探索的深入,空间机器人在空间资源开发中的应用越来越频繁。复杂的航天任务和恶劣的航天环境要求空间机器人具有轻质、高速、高效等特点的同时,需要对外界扰动等因素具有良好的鲁棒性。此外,由于执行机构本身的限制会导致其输出的饱和受限以及空间机器人轻质所带来的柔性振动等,也是空间机器人控制器设计时不得不考虑的实际问题。为此,本文考虑外界扰动以及输入饱和非线性等因素,研究了一种自由漂浮柔性空间机器人系统的轨迹跟踪与主动振动抑制问题。本文首先根据柔性多体动力学理论,采用Lagrange方程和假设模态法建立了自由漂浮柔性空间机器人系统的动力学方程,并且分析了柔性空间机器人系统刚性运动和柔性振动的相互耦合关系,将柔性振动作为刚性运动的扰动,刚性运动作为柔性振动的激发,得到了刚柔解耦的动力学方程。针对自由漂浮柔性空间机器人系统的关节空间轨迹跟踪问题,提出了一种基于自适应终端滑模的鲁棒控制方法,实现闭环系统对期望轨迹的有限时间渐近跟踪以及对扰动鲁棒性。为避免在自适应律辨识过程中扰动参数过大而导致控制过大甚至系统失稳,改进自适应律,在其中增加负反馈项。为了克服终端滑模控制方法中存在的奇异性及抖振问题,设计非奇异终端滑模面,提出了一种自适应非奇异终端滑模控制方法,并采用饱和函数替代符号函数来削弱抖振。进一步考虑系统载体干扰以及削弱抖振带来的鲁棒性变差等问题,引入条件积分改进了非奇异终端滑模面,从而保证了自适应非奇异终端滑模控制方法对扰动的良好鲁棒性。仿真结果表明上述所设计的控制方法能够在实现系统关节空间轨迹跟踪的同时,对系统柔性振动扰动及载体扰动具有很好的鲁棒性。针对系统实际存在的执行机构饱和问题,深入研究系统输入饱和条件下的轨迹跟踪与振动抑制问题,提出一种基于输入成型和自适应状态反馈的复合控制方法。该方法应用输入成型技术,设计鲁棒输入成型器抑制柔性振动;基于双曲正切函数的有界性与自适应技术设计控制器,满足输入饱和条件的同时,实现对期望轨迹的跟踪。仿真结果表明,所设计复合控制算法能够在有效抑制柔性振动,同时在满足输入饱和条件下可以快速、精确的跟踪期望轨迹。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-19
  1.1 课题背景及研究目的和意义  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-17
    1.2.1 空间机器人研究现状  10-12
    1.2.2 柔性空间机器人研究现状  12-15
    1.2.3 输入饱和控制  15-17
  1.3 本文主要研究内容及组织结构  17-19
第2章自由漂浮柔性空间机器人动力学建模  19-24
  2.1 引言  19
  2.2 自由漂浮柔性空间机器人系统组成  19-20
  2.3 自由漂浮柔性空间机器人系统动力学建模  20-23
  2.4 本章小结  23-24
第3章自由漂浮柔性空间机器人自适应终端滑模轨迹跟踪控制  24-40
  3.1 引言  24-25
  3.2 自适应终端滑模控制  25-32
    3.2.1 系统动力学模型简化  25-26
    3.2.2 控制器设计  26-30
    3.2.3 仿真分析  30-32
  3.3 自适应非奇异终端滑模控制  32-38
    3.3.1 非奇异终端滑模控制器设计  32-34
    3.3.2 带有条件积分的非奇异终端滑模控制器设计  34-35
    3.3.3 仿真分析  35-38
  3.4 本章小结  38-40
第4章输入饱和条件下自由漂浮柔性空间机器人轨迹跟踪与主动振动控制  40-62
  4.1 引言  40-41
  4.2 输入饱和条件下的轨迹跟踪控制  41-47
    4.2.1 控制器设计  41-43
    4.2.2 仿真分析  43-47
  4.3 基于输入成型技术的柔性振动抑制方法  47-60
    4.3.1 输入成型技术基本原理  48
    4.3.2 输入成型技术设计方法  48-52
    4.3.3 基于输入成型与自适应状态反馈的复合控制仿真  52-60
  4.4 本章小结  60-62
结论  62-64
参考文献  64-74
攻读硕士学位期间发表的学术论文  74-77
致谢  77

自由漂浮柔性空间机器人轨迹跟踪控制研究

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