空间机械臂惯性空间轨迹自适应控制

刘丽萍

(烟台汽车工程职业学院 机电工程系， 烟台 265500)

0 引言

空间机械臂集机械、电子、热控、动力学等学科于一体作为航天等领域的关键技术，已成为研究的重点之一，现阶段的研究工作多以空间机械臂在操作时所涉及的动力学与控制问题为主要内容，针对的是非目标捕获过程中的相关任务操作，而空间机械臂对空间在轨自由运动目标捕获的操作控制能力(主要任务指标之一)还有待深入研究，随着计算机技术的发展和完善，利用计算机在理论分析建模基础上进行仿真分析和计算，可为实际应用提供理论参考[1]。

1 捕获目标过程的冲击效应

捕获目标在接触过程中由于接触及其他阻力等因素的干扰下，导致目标原有动量矩向机械臂系统的转移，会对后续混合体系统运动状态产生影响，需进行镇定运动控制。

1.1 空间机械臂捕获目标的干扰影响

本文以捕获过程的相关运动学及动力学问题为主要研究对象，基于动力学方程完成捕获目标过程中冲击效应(干扰因素)的计算，主要对空间机械臂惯性空间轨迹自适应控制进行研究，通过对机械臂抓取运动目标受到的冲击效应进行分析，并对系统轨迹自适应进行控制仿真，完成空间机械臂动力学方程的建立，在此基础上完成机械臂捕获目标所受冲击效应的计算，再结合目标动力学方程完成机械臂同捕获目标整体系统动力学方程的建立，设计自适应控制方法对混合体系统进行镇定运动控制。

本文以自由漂浮空间机械臂在平面运动情况下捕获目标过程(在轨捕获自由运动目标)为例，空间机械臂的主要组成部分为漂浮基及两连杆机械臂，以在同平面内运动的物体为捕获的自由运动目标，空间机械臂结构具体如图1所示[2]。

图1 捕获目标过程

1.2 系统动力学方程

在惯性坐标系中的机械臂末端的速度与关节铰速度间的关系(根据系统运动关系)具体可表示为：

其中在惯性坐标系下机械臂末端手爪P的速度由Vp表示，Vp=(xpypqp)T，机械臂位置、姿态及关节角度由q表示，q=(x0y0αθ1θ2)T(广义坐标)，对应的运动雅克比矩阵由J∈R3×5表示[3]。

建立空间机械臂动力学方程(根据多体动力学理论)的具体表达式为：

其中D表示包含科氏力、离心力矢量(D∈R5×5)，控制力与控制力矩矢量由τ表示，τ=(fxfyτ0τ1τ2)T，目标对机械臂末端的冲击力由Fp表示，在无其它外力作用情况下，Fp=(FpxFpyMp)T。

2 控制系统建模

碰撞冲击效应会对捕获目标后的混合体系统会对其运动稳定性产生一定程度的影响，因此需对混合体系统进行运动自适应控制，以保证系统能够处于正常工作状态，在对空间机械臂捕获目标参数未知进行考虑的基础上，本文通过对自适应控制规律的分析及获取，对捕获目标后混合体系统主要通过进行镇定运动控制，最大程度较低机械臂关节铰不稳定运动，以保持系统的稳定。

2.1 混合体系统动力学方程

空间机械臂捕获目标后后的混合体系统，依据上述的动力学方程，用P′表示目标上手柄，用P′表示目标上手柄，捕获操作后P′将与P(空间机械臂)末端手爪锁紧固连[4]，对于空间机械臂捕获目标后的动力学方程表达式如下：

由于携带燃料有限，而漂浮基控制推进器的开启耗能较多，在降低燃料消耗的基础上，为对机械臂末端捕获过程中与目标间接触、碰撞产生的冲击效应进行有效缓解，结合空间机械臂系统的使用实现目标捕获操作。在无其它外力作用的情况下，式中对输入项τ进行控制的元素有fx=0,fy=0，该动力学方程式为欠驱动形式，在不知道系统惯性参数情况下，有助于空间机械臂自适应控制的实现[5]。

2.2 自适应镇定运动控制系统的构建

由qa表示系统控制实际输出，具体关系式为：

qa=(αθ1θ2)T

对控制增广实际输出进行定义(满足自适应控制规律)，具体表达式为：

对拟增广自适应控制输入规律进行如下设计：

3 数值仿真分析

3.1 参数设置

3.2 仿真过程及结果分析

3.2.1 仿真实验

qa(t0)=(-90° 100° 35°)T

空间机械臂在捕获目标后开启混合体自适应控制器，调整漂浮基姿态及机械臂关节角至期望的位置(使二者角速度均趋于0rads)，从而调整空间机械臂运动到正常稳定状态，整个调整过程即为镇定运动控制[7]，本文设置运动控制的期望状态为：

qad=(-90° 90° 0°)T

3.2.2 结果分析

设置空间机械臂末端手爪接触目标为仿真过程的初始时刻，将整个仿真过程取为10 s，接触、碰撞的时间极其短暂(Δt，假设耗时0.2 s)之后空间机械臂便于目标形成混合体系统，镇定运动自适应控制器在此时开启，仿真过程的结果：针对空间机械臂捕获目标后的混合体系统，在未开启任何控制器时其运动状态的变化如图2所示。

开启上述自适应控制器时其运动状态的变化如图3所示。

在目标捕获过程中，不可避免的接触、碰撞会严重影响到会计机械臂混合体系统的运动状态，并且表现出同空间机械臂与目标间(捕获前)的绝对速度差成正比的趋势，说明本文所设计的自适应控制方法具有一定的实用价值。

4 总结

本文主要对空间机械臂惯性空间轨迹自适应控制进行研究，通过对机械臂抓取运动目标受到的冲击效应进行分析，并对系统轨迹自适应进行控制仿真，完成空间机械臂动力学方程的建立，在此基础上完成机械臂捕获目标所受冲击效应的计算，再结合目标动力学方程完成机械臂同捕获目标整体系统动力学方程的建立，设计自适应控制方法对混合体系统进行镇定运动控制。本文提出的自适应控制方法可有效适应目标参数未知情况，并且不需要对漂浮基位置、移动速度及加速度进行控制，有助于降低漂浮基位置控制燃料消耗，最大程度降低捕获过程同目标剧烈冲击、碰撞的潜在危险性，为空间机械臂提供参考。

(a) 漂浮基姿态角与机械臂关节角变化情况

(b) 漂浮基姿态角速度与机械臂关节角速度变化情况

图2 运动状态变化情况

(a) 漂浮基姿态角与机械臂关节角变化情况

(b) 漂浮基姿态角速度与机械臂关节角速度变化情况

图3 运动状态变化情况