[發明專利]一種雙柔性空間機械臂模糊魯棒滑模削抖運動控制方法

有效

• 申請號: 201711248155.7
• 申請日: 2017-11-30
• 公開（公告）號: CN107942670B
• 公開（公告）日: 2021-01-29
• 發明（設計）人: 陳志勇;張婷婷;李振漢;王奮勇;鄭永銘
• 申請（專利權）人: 福州大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 福州元創專利商標代理有限公司 35100
• 代理人: 蔡學俊

本發明涉及一種雙柔性空間機械臂模糊魯棒滑模削抖運動控制方法，該方法基于雙柔性空間機械臂的柔性補償奇異攝動模型，由慢、快變兩個可獨立設計的子控制器組合而成。慢變子控制器包含有一類指數趨近滑模控制律及附加設計的模糊魯棒控制項，可實現對傳統滑?？刂乒逃卸墩竦挠行魅跫跋到y剛性運動軌跡的精確跟蹤；快變子控制器則采用了最優控制理論進行設計，以抑制系統所產生的柔性振動。本發明提出的一種雙柔性空間機械臂模糊魯棒滑模削抖運動控制方法，對系統的參數不確定性保持有很強的魯棒性，其剛、柔性運動控制效果亦符合預期控制要求。

技術領域

本發明涉及機械臂智能控制及數值仿真領域，具體涉及一種雙柔性空間機械臂模糊魯棒滑模削抖運動控制方法。

背景技術

空間機械臂是一種探索、開發外層空間的重要工具，其獨特的太空應用優勢使其在各類高危、復雜空間任務中扮演重要角色，極大地加速了人類太空探索的步伐。相比于地面固定基座式機械臂，漂浮空間機械臂動力學模型的非線性更高、耦合性更強，其在各類復雜工況下的控制問題更為棘手。更有文獻指出，為了獲得更高的系統操控精度，有必要在空間機械臂動力學建模與控制問題研究上充分考慮系統各類固有柔性的影響，其中就包括了關節柔性和基座柔性。

Kostas等研究關節存在柔性的情況，為一類空間機械臂建立了系統動力學模型，并提出一種能最大限度保證機械臂在無震蕩情況下實現末端執行器軌跡有效追蹤的靜態反饋控制方法。元波等為基座彈性影響下空間機械臂系統設計合理的魯棒控制方案，使其能在基座彈性振動、外部干擾、模型不確定同時影響下，保證機械臂實現良好軌跡追蹤。這些單獨考慮關節柔性或基座柔性的研究工作雖可通過選取適當的控制方案在系統柔性振動影響最低的情況下保證空間機械臂的軌跡跟蹤精度；不過一旦系統各構件存在有較大的固有柔性，這些控制方案往往難以有效消除系統柔性振動對其剛性運動所帶來的負面影響。

為此，陳志勇等采用奇異攝動方法將柔性關節機械臂模型分解為表示系統剛性軌跡運動的慢變子系統和表示系統關節柔性振動的快變子系統，并對兩個子系統分別提出抗力矩飽和控制及力矩微分反饋控制，以較好地實現系統軌跡的精確追蹤及柔性振動抑制目的。Ulrich等提出了一種柔性關節空間機械臂基于奇異攝動技術的改進自適應控制方法。Meng等將基座攜帶有大型柔性附件的機械臂視為柔性基空間機械臂系統，通過耦合映射法獲得柔性附件與機械臂耦合后的耦合運動圖，并采用軌跡規劃方法實現在規劃路徑下系統柔性振動最小。Xu等將搭載有太陽能帆板、無線反射器等大型柔性附件的剛性空間機械臂載體視為浮動柔性基座空間機械臂，著重開展了此類系統目標航天器抓取的動力學建模與分析工作，并通過優化運動時間、采用高階多項式算法及同時考慮軌跡規劃及控制規則設計等方案抑制基座的柔性振動。以上兼顧機械臂軌跡追蹤運動控制與柔性振動抑制的復合控制方法雖能在系統存在單一柔性(關節柔性或者基座柔性)下實現系統剛性運動控制及柔性振動抑制的預期要求，但對于基座、關節均存在柔性的空間機械臂而言，其控制效果卻大打折扣，甚至會出現控制失靈、失效等問題。

目前，有關基座、關節雙柔性影響下空間機械臂的動力學控制方法雖有出現但并不多見，尤其是針對系統模型存在不確定性的工況。因此，如何設計更多特定有效的控制策略來解決此類不確定雙柔性空間機械臂的控制問題已成為當務之急。

發明內容

本發明的目的在于提供一種雙柔性空間機械臂模糊魯棒滑模削抖運動控制方法，以克服現有技術中存在的缺陷。

為實現上述目的，本發明的技術方案是：一種雙柔性空間機械臂模糊魯棒滑模削抖運動控制方法，包括如下步驟：

步驟S1：根據平面兩連桿漂浮雙柔性空間機械臂建立系統動力學方程；

步驟S2：通過引入攝動因子，從所述系統動力學方程分解建立一慢變子系統模型；

步驟S3：通過設定快變時標，建立一快變子系統模型；

步驟S4：建立所述慢變子系統模型的滑模切換函數；