[发明专利]基于非奇异终端滑模技术的空间机器人目标抓捕控制方法

摘要

本发明涉及一种基于非奇异终端滑模技术的空间机器人目标抓捕控制方法，用于解决现有空间机器人目标抓捕控制方法实用性差的技术问题。该方法首先将空间机器人目标抓捕后组合体动力学模型进行分解，得到姿态子系统动力学模型，并基于该模型构造面向控制的状态方程；然后设计非奇异终端滑模面，并基于滑模面设计自适应控制器，从而保证系统状态的有效时间收敛；考虑系统动力学不确定性和未知外部扰动，设计自适应更新律实现对系统不确定性和外部扰动的集总估计补偿，便于工程实现。本发明在保证空间机器人系统在抓捕过程中的稳定控制基础上，实现了高精度的姿态跟踪控制，同时针对不确定性与外部扰动设计了自适应补偿环节，实用性好。

主权项

1.一种基于非奇异终端滑模技术的空间机器人目标抓捕控制方法，其特征在于步骤如下：步骤1：建立二连杆空间机器人动力学模型为：其中为正定对称惯性矩阵，由H_b∈R^2×2，H_bm∈R^2×3和H_m∈R^3×3三个方块阵组成；是与哥式力和向心力相关的项，由C_b∈R^2×1和C_m∈R^3×1组成；τ_b∈R^2×1是基座位置控制输入力矩，τ∈R^3×1是控制力矩；J∈R^3×5为空间机器人雅可比矩阵，F_P∈R^3×1为机械臂末端受到的外力；q_b＝[x_b,y_b]^T为基座位置向量，θ＝[θ₀,θ₁,θ₂]^T为角度向量，其中θ₀表示基座中心系相对于惯性系的姿态角，[θ₁,θ₂]表示机械臂连杆关节角；步骤2：根据牛顿‑欧拉方程建立目标动力学模型为：其中，D_m∈R^3×3为目标运动的惯量矩阵，q_m＝[x_m,y_m,θ_m]^T为空间目标的广义坐标矢量，J_m∈R^3×3为目标运动雅可比矩阵，F_p′∈R^3×1为目标与机械臂末端接触力，且有F_p′＝‑F_p；步骤3：定义建立空间机器人抓捕后组合体动力学模型为：其中，为正定对称惯性矩阵，由H_zb∈R^2×2，H_zbm∈R^2×3和H_zm∈R^3×3三个方块阵组成；是与哥式力和向心力相关的项，由C_zb∈R^2×1和C_zm∈R^3×1组成；针对组合体动力学模型(3)，约去抓捕控制中不需要控制的位置状态，并考虑外部扰动影响，可得姿态子系统动力学模型为：其中，d∈R^3×1为外部扰动项；进一步，姿态子系统(4)可改写为其中，f＝‑H′^‑1C′，g＝H′^‑1，D＝H′^‑1d；另设T＝f+D；步骤4：定义姿态跟踪误差为e＝θ‑θ_d，其中θ_d为期望的基座姿态角和机械臂关节角组成的向量；定义非奇异终端滑模面为：其中，a>b>0，β>0；设计控制力矩为τ＝τ₀+τ₁+τ₂，子控制器分别为：其中，σ>0，K₁∈R^3×3和K₂∈R^3×3是正定非奇异对角阵，为T的估计；设计的更新律为：其中，μ>0，δ>0；步骤5：根据步骤4中(7)‑(9)得到的控制力矩τ，返回到空间机器人抓捕后组合体姿态子系统动力学模型(4)，对空间机器人基座姿态角和机械臂关节角进行控制。