外部扰动下空间机器人基于扰动观测器的鲁棒控制.pdf

在介绍空间机器人鲁棒控制的过程中，首先需要对空间机器人的概念进行梳理。空间机器人是指能够在太空环境中自主或遥控执行任务的机器人系统，它们在空间站建设、航天器维护、太空垃圾回收等任务中发挥着关键作用。由于太空环境具有高度的不确定性和危险性，空间机器人需要具备强大的自主性和抗干扰能力。 本研究中，福州大学机械工程及自动化学院的尤鑫烨和陈力提出了一种基于扰动观测器的鲁棒控制方法，用以应对参数不确定和外部扰动情况下的空间机器人轨迹跟踪控制问题。在太空执行任务时，空间机器人常常面临着载体位置不受控制而姿态受控的漂浮基情况。研究者通过建立系统动力学方程，并结合动量守恒定律，使用拉格朗日第二类方程进行描述。其中，外部扰动被视为未知随时间变化的量，通过设计的扰动观测器来估计外部干扰和参数不确定性构成的总扰动。在此基础上，引入了扰动补偿项以保证系统的控制性能。 控制律的稳定性是通过Lyapunov理论来证明的。研究者指出，该控制律能够补偿由于参数不确定和外部扰动引起的总扰动，从而提高系统的轨迹跟踪性能。与传统鲁棒控制方案相比，本研究提出的控制方案具有结构简单、不需要测量机械臂角加速度以及基座的位置、移动速度和移动加速度等优点，从而减少了系统所需的传感器数量。文章通过数值仿真模拟验证了控制方案的有效性。 文章还讨论了空间机器人在太空环境中的常见外部扰动，如稀薄空气阻力、摩擦力、空间碎片、液体燃料晃动等。在设计控制器时，需要考虑这些不确定性因素的影响。因此，研究中提出的方法不仅适用于地面机器人，同样也适用于太空中的自由浮动空间机械臂系统。这种方法能够处理空间机械臂各关节之间的强耦合作用，以及末端执行器运动与航天器运动之间的相互影响。 为了实现有效的控制，文献中提到的控制策略不仅包括自适应模糊控制方案，还包括了基于H∞控制技术的策略，其目标是保证机械臂末端能够在指定的位置和姿态下执行任务。此外，对空间机器人系统的动力学分析，通常考虑其做平面运动的情况，从而简化问题。在空间机器人系统动力学模型中，动量守恒定律起着核心作用，而空间机器人的自由漂浮特性导致了系统在漂浮状态下具有非完整约束。 值得注意的是，文中还提到了其他学者在空间机器人领域的研究成果，例如基于模糊控制理论、滑模控制和鲁棒控制的研究。这些控制策略被用于解决自由飞行空间机器人、自由柔性机械臂的轨迹控制问题，以及空间碎片拖动等问题。另外，还有研究通过建立集中参数法的绳索动力学模型，为空间碎片清理提供了理论支持。 本研究针对空间机器人的轨迹跟踪控制问题，提出了一种新的控制策略。该策略通过扰动观测器估计总扰动，并引入补偿项来提升系统控制性能，最终通过仿真验证了控制方案的有效性。该研究为在具有复杂扰动的太空环境中进行有效控制提供了新的理论依据和方法。