空間機(jī)械臂建模及軌跡跟蹤控制方法研究.pdf

1、空間機(jī)械臂作為最具潛力的航天器在軌設(shè)備,一直是航天領(lǐng)域中的熱點(diǎn)問題之一,由于其工作在浮動(dòng)基座上且易受干擾,決定了其模型復(fù)雜,控制難度大。本文針對(duì)空間機(jī)械臂的建模和軌跡跟蹤控制問題,結(jié)合微分幾何方法進(jìn)行了研究。
　　首先,文章介紹了當(dāng)前國內(nèi)外在空間機(jī)械臂問題上的研究和發(fā)展現(xiàn)狀,及國內(nèi)外學(xué)者在空間機(jī)械臂的建模和控制方面的研究成果。分別應(yīng)用廣義雅可比矩陣GJM方法和經(jīng)典的Lagrange方法推導(dǎo)了空間機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)模型。

2、　　其次,研究了非線性控制的微分幾何方法,針對(duì)經(jīng)典模型,以自由飛行狀態(tài)下的平面二連桿空間機(jī)械臂為例,通過微分同胚和非線性狀態(tài)反饋,設(shè)計(jì)了微分幾何精確線性化輸入——狀態(tài)解耦控制器,建立了線性解耦的動(dòng)力學(xué)模型。
　　再次,針對(duì)精確線性化后模型,研究了關(guān)節(jié)空間內(nèi)的軌跡跟蹤控制問題。首先設(shè)計(jì)了PID控制器并進(jìn)行了仿真,結(jié)果顯示出較好的響應(yīng)特性,體現(xiàn)了微分幾何精確線性化的有效性。分析了引起系統(tǒng)參數(shù)攝動(dòng)和外部干擾的原因,設(shè)計(jì)了一種軌跡跟蹤滑模

3、控制器,仿真結(jié)果表明滑?？刂破骺梢杂行У匾种撇淮_定性產(chǎn)生的影響,具有很強(qiáng)的魯棒性。針對(duì)滑?？刂破鞯摹岸墩瘛眴栴},設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)模糊滑?？刂破鞑⑦M(jìn)行了仿真,仿真結(jié)果表明,該方法在提升了系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)特性的同時(shí),能夠在很大程度上降低控制力矩的抖振。
　　最后,鑒于微分幾何在處理非線性問題上的優(yōu)勢,研究了基于Lie群的空間機(jī)械臂的建模,建立了空間機(jī)械臂系統(tǒng)的Lie群模型,該方法具有運(yùn)算量小、模型形式統(tǒng)一、物理意義明確等優(yōu)點(diǎn)。在相同條件下,