[发明专利]一种自由漂浮空间机械臂自适应容错控制方法

说明书

本发明设计一种具有指定跟踪性能的自由漂浮空间机械臂自适应容错控制方法；首先，针对自由漂浮空间机械臂抓捕未知物体问题，建立组合体动力学模型和具有一般性的机械臂关节执行器故障模型；其次，预设指定性能函数，建立机械臂关节角度经过非线性映射后的误差值；再次，引入径向基函数神经网络估计系统中未知非线性部分；最后，基于反步法设计空间机械臂的自适应律和自适应控制器。此方法可用于自由漂浮空间机械臂在抓捕未知物体形成组合体后动力学模型具有未知非线性和执行器故障的跟踪控制问题。

技术领域

本发明涉及一种具有指定跟踪性能的自由漂浮空间机械臂自适应容错控制方法，主要应用于自由漂浮空间机械臂在抓捕未知物体形成组合体后的机械臂关节角度跟踪控制问题，属于航天器控制技术领域。

背景技术

随着空间技术的发展，各种类型的航天器为人类提供了导航、通讯等多种服务，同时各种太空站、望远镜、太阳能电站等大型空间设施的建造也在不断发展。但是航天器由于故障或者任务结束而被放弃后，停留在空间成为太空垃圾，不但占用了宝贵的轨道资源，还危及了其他航天器的安全。同时随着空间活动的发展，将有大量的空间生产、空间加工、空间装配、空间维护和修理工作需要。这些问题的解决和工作的完成是无法单纯依靠宇航员人工完成的，因此成熟的空间机器人的在轨捕获操作技术非常重要。一般的在轨捕获任务可以分为四个主要步骤：1)接近并跟随目标轨迹；2)抓住目标；3)消除目标自旋运动；4)组合体稳定，其中机械臂在抓捕未知物体后形成的组合体的稳定控制十分重要，是任务成功与否的最终体现。在自由漂浮模式下，空间机器人基座的位置和姿态均不受控，从而无需对基座实施主动控制，节约了控制燃料，对卫星在轨寿命起到至关作用。

空间机械臂在抓捕未知物体后，其动力学模型存在未知的非线性部分，给稳定控制带来了难度；另外传统机械臂抓捕控制中多考虑基座固定的机械臂的抓捕后稳定问题，但是自由漂浮空间机械臂存在基座与机械臂的耦合问题，是无法套用基座固定情况下的控制方法的。同时传统控制中需要对基座的线性和角加速度进行测量，而在实际应用中加速度测量对传感器噪声和漂移十分敏感，所以测量基座的线性和角加速度具有一定困难。另外空间机械臂经过长时间的在轨服役后，在严苛的太空环境和繁重的操作任务双重原因下，不可避免地会发生关节故障。因而，亟需设计具有处理自由漂浮空间机器人动力学模型中非线性部分和容错功能的自适应控制方法。

针对自由漂浮空间机器人控制的问题，中国专利申请号为CN108983606A中提出一种机械臂鲁棒滑模自适应控制方法，首先建立机械臂系统的动力学模型，然后设计机械臂滑模自适应鲁棒控制器，最后分析机械臂系统的稳定性，然而此专利背景为地面机械臂，并未涉及自由漂浮空间机械臂的耦合性，同时线性化动力学模型后期计算量大；专利CN108445768A中提出了一种漂浮基空间机器人操作空间轨迹跟踪的增广自适应模糊控制算法，首先建立欠驱动形式的关节空间系统动力学方程，并利用系统运动关系，推导相应的操作空间系统动力学方程，然后运用模糊逼近思想，对系统各不确定函数项进行模糊逼近处理，最后引入自适应律对模糊权值进行实时调节，进而设计一个自适应模糊控制器来实现对期望轨迹的精确跟踪，然而此方法没有考虑执行器故障，不具备容错能力。

因此本发明针对上述问题提出了一种具有指定跟踪性能的自由漂浮空间机械臂自适应容错控制方法。首先构建自由漂浮空间机械臂的动力学模型并进行简化，抵消掉模型中的基座的线性和角加速度部分；同时考虑机械臂关节执行器故障问题，并建立具有一般性的机械臂关节执行器故障模型。通过引入径向基函数神经网络来估计自由漂浮空间机械臂系统中未知的非线性部分，并在反步法的框架下结合预设指定性能函数设计空间机械臂的自适应律和自适应控制器，最终使自由漂浮空间机械臂在抓捕未知物体后，其机械臂关节角度跟踪期望轨迹。

发明内容