基于自适应鲁棒控制的空间抓取捕获研究

摘要

随着空间技术的发展，空间机械臂广泛应用于在轨服务及建设、深空探测、目标监视与观测等各个方面。本文针对完成卫星回收、空间站维修和搬运等相关任务时，漂浮基空间机械臂抓取捕获固体漂浮物体和充液漂浮物体的动力学与控制问题进行研究。
　　首先，对漂浮基空间机械臂进行运动学建模，采用平行接近法设计漂浮基空间机械臂末端抓取装置到达期望最终位置的运动轨迹。根据抓取装置的期望最终位置匀速的改变漂浮基空间机械臂基体的姿态角和各个关节角，以降低漂浮基空间机械臂的能量消耗，消除抖动，减少了漂浮基空间机械臂抓取装置到达期望最终位置的时间。
　　其次，针对漂浮基空间机械臂抓取固体漂浮目标的问题，提出了一种鲁棒控制律。根据能量守恒、动量守恒和力守恒建立系统模型，将其转化为关于漂浮基空间机械臂抓取装置质心和固体漂浮目标质心间距离与漂浮基空间机械臂质心运动距离的方程。设计鲁棒轨迹跟踪控制，使抓取过程中两者质心距离与漂浮基空间机械臂质心运动距离均按照期望轨迹运动，以达到消除抖动的目的。对于该控制律不需测量固体漂浮目标的质量和速度,因此该控制律对固体漂浮目标机动具有较强的鲁棒性。由于控制过程中只考虑两者质心距离与漂浮基空间机械臂质心运动距离，因而实现简单。仿真结果表明，所提出的控制律能够消除振动，增加系统稳定性和鲁棒性，同时在抓取控制中降低了漂浮基空间机械臂的能量消耗。
　　最后，针对漂浮基空间机械臂抓取充液漂浮目标的问题，提出了一种多模型自适应鲁棒控制律。将充液漂浮目标的质心域划分为无碰撞力质心区域和碰撞力质心区域。分别建立两个质心区域的系统模型，并采用多模型控制的方法。当充液漂浮目标的质心位于无碰撞力质心区域时，采用同抓取固体漂浮目标相同的鲁棒控制；当充液漂浮目标的质心位于碰撞力质心区域时，采用自适应鲁棒控制来对充液漂浮目标的质心晃动带来的系统时变模型进行控制。由于充液漂浮目标的质心在无碰撞力质心区域和碰撞力质心区域间来回运动，采用模糊逻辑进行其所处区域的判断同时进行多模型及控制律的切换。仿真结果表明，所提出的控制律能够消除振动，增加系统稳定性和鲁棒性，同时在抓取控制中降低了漂浮基空间机械臂的能量消耗。

目录

基于自适应鲁棒控制的空间抓取捕获研究

RESEARCHONSPACECAPTURINGBASEDONADAPTIVEROBU

摘要

Abstract

第1章绪论

1.1课题背景及研究的目的和意义

1.2空间机械臂抓取捕获发展概况

1.3空间抓取捕获的控制方法研究现状

1.4本课题的主要研究内容

第2章漂浮基空间机械臂的运动学建模

2.1抓取阶段的划分

2.2抓取装置质心轨迹规划

2.3本章小结

第3章抓取固体漂浮目标的系统建模

3.1系统相对运动模型

3.2系统动力学模型

3.3本章小结

第4章抓取固体漂浮目标的控制

4.1能量——动量守恒建模的鲁棒控制

4.2力平衡建模的鲁棒控制

4.3能量——动量守恒的自适应鲁棒控制

4.4抓取固体漂浮目标的MATLAB仿真

4.5本章小结

第5章抓取充液漂浮目标的系统建模

5.1充液漂浮目标的建模分析

5.2充液漂浮目标无碰撞力区域建模

5.3充液漂浮目标碰撞力区域建模

5.4本章小结

第6章抓取充液漂浮目标的控制

6.1分析抓取充液漂浮目标的控制方法

6.2多模型自适应鲁棒控制的设计

6.3模糊逻辑切换器

6.4抓取充液漂浮目标的MATLAB仿真

6.5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

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致谢