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硕士学位论文自由飞行空间机器人轨迹跟踪控制研究TRAJECTORYTRACKINGCONTROLOFFREE-FLYINGSPACEROBOT于洪洋哈尔滨工业大学2012年7月国内图书分类号：TP273学校代码：10213国际图书分类号：681.52密级：公开工学硕士学位论文自由飞行空间机器人轨迹跟踪控制研究硕士研究生：于洪洋导师：张卯瑞教授副导师：宋申民教授申请学位：工学硕士学科：控制科学与工程所在单位：控制理论与制导技术研究中心答辩日期：2012年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP273U.D.C:681.52DissertationfortheMaster’sDegreeinEngineeringTRAJECTORYTRACKINGCONTROLOFFREE-FLYINGSPACEROBOTCandidate：YuHongyangSupervisor:Prof.ZhangMaoruiDeputySupervisor:Prof.SongShenminAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：ControlScienceandEngineeringAffiliation：CenterforControlTheoryandGuidanceTechnologyDateofDefence：July,2012Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-I-摘要在探索太空的过程中会有很多工作去做，但是目前这些工作只能由宇航员去完成，然而太空环境是很恶劣的，因此发展针对太空任务的空间机器人具有重要意义。本文主要研究自由飞行空间机器人在关节空间内的轨迹跟踪控制问题，先研究了存在不确定系统参数情况下跟踪控制问题，随后研究了外部随机干扰和不确定参数同时存在的情况下轨迹跟踪控制问题。本文所使用的方法以自适应控制为主，为了达到精确控制的目标，在此基础上进行改进。首先，简要介绍了当前国内外空间机器人的发展情况，其次对当下几种常用的空间机器人控制方法进行介绍。文中使用多刚体系统动力学理论和拉格朗日方程，对空间机器人的动力学、运动学方程进行推导，最终得到一般动力学方程与自由飞行及自由漂浮模式下的运动学和动力学方程。其次，推导了2连杆平面空间机器人的动力学模型，为后文仿真分析打下基础，然后针对自由飞行空间机器人的强耦合性及系统内存在未知动力学参数问题，使用自适应控制方法进行控制器的设计，并对动态方程进行线性化，随后，为了验证控制器的有效性，在空间机器人的关节空间进行轨迹跟踪控制仿真。最后，研究了在考虑外部随机扰动的情况下，自由飞行空间机器人在关节空间内进行轨迹跟踪的情况，针对随机扰动上界已知或未知两种情况，综合了自适应控制方法和变结构控制方法的优点，同时采用基于期望轨迹补偿的方法，提出了基于期望轨迹自适应鲁棒控制策略，并在两种扰动作用下分别进行鲁棒性分析，并通过仿真进行验证。关键词：空间机器人；鲁棒自适应；变结构；自适应控制哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-II-AbstractInrecentyears,withtherapidprogressanddevelopmentofscienceandtechnology,human’sfieldofvisionwidenedandresearchareaslargening,spaceroboticsareattemptedtobeappliedtospace.Asweallknow,theearth’sresourcesaredepletingandtheenvironmentareworseningsothatsearchingandexploitingthespaceresourceshasbecomeourcurrentmission.Exploringspacegivesrisetoalotofdangerconfrontedbytheastronautscurrently.Undersuchabackground,itisofgreatsignificancetodevelopspacerobotsforspacemissions.Theresearchissueinthispaperisthetrajectorytrackingcontrolproblemswithexternaldisturbanceandwithoutit,whichgivesprioritytoadaptivecontrolandacombinationwithothermethods,resultingintrackingthedesiredtrajectoryofspacerobotjoints.Thepaperisextendedinturnaboutthedevelopmentofthespacerobotathomeandabroad,andseveralcommoncontrolmethodsappliedtothespacerobots.MultibodydynamicstheoryandLagrangeequationsareusedtoderivethedynamicsandkinematicsequationssothattheseequationsaboutfree-flyingandfree-floatingmoderesult.Sometheoreticalresultsareinorderforconcerningusduringthestudyoftrajectorytrackinginfreeflightmode.Firstly,thedynamicmodelofatwo-linkplanarspacerobotisderivedtolaythefoundationforthefollowingsimulation.Thenfocusingonthestrongcouplingandunknownkinecticparametersofthethefree-flyingspacerobotsystem,theadaptivecontrolmethodisadoptedandthedynamicequationislinearizedSequently,inordertoverifytheeffectivenessofthecontroller,jointspacetrajectorytrackingsimulationisdesigned,havingagoodperformance.Lastlyinthecaseofexternalrandomdisturbance,thetrajectorytrackingfortheunknownandknownupperboundofrandomperturbationsisresearched,combiningtheadaptivecontrolmethodandthevariablestructurecontrolmethod.Thecombinationofthetwomethodshasaremarkableadvantagethatadaptivecontrolcaneffectivelyobtaintheestimationofunknownkineticparametersandvariablestructurecontrolhasstrongrobustnesssothatwehavearobustadaptivecontrollerwiththeabilityofdisturbancerejection.Keywords:RobustAdaptiveControl,Spacerobot,Variablestructure,AdaptiveControl哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-III-目录摘要..........................................................................................................................IABSTRACT................................................................................................................II第1章绪论...........................................................................................................11.1课题背景及研究的目的和意义.................................................................11.2空间机器人国内外研究现状.....................................................................11.2.1空间机器人国外研究现状........................................................................11.2.2我国空间机器人研究现状........................................................................51.2.3空间机器人控制方法................................................................................51.3本文主要内容及结构................................................................................8第2章空间机器人的运动学及动力学...................................................................92.1引言..........................................................................................................92.2符号定义...................................................................................................92.3刚体姿态的常用表示方法........................................................................112.3.1欧拉角表示法..........................................................................................112.3.2旋转矩阵表示法......................................................................................122.3.3单位四元数表示法..................................................................................122.4空间机器人的运动学.............................................