空間機(jī)器人神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)軌跡跟蹤控制及微重力模擬方法研究.pdf

1、空間機(jī)器人在開展太空探索中發(fā)揮著越來越重要的作用，它可以對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行維修及回收、對(duì)空間站進(jìn)行建造及維護(hù)、代替宇航員執(zhí)行危險(xiǎn)任務(wù)等。因此研究空間機(jī)器人具有重要意義。
　　本文基于自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法，針對(duì)自由漂浮空間機(jī)器人系統(tǒng)，研究了模型不確定性、參數(shù)突變、無速度信息反饋、帶關(guān)節(jié)死區(qū)等四種情況下的軌跡跟蹤控制問題；為了更好地開展空間機(jī)器人地面試驗(yàn)研究，針對(duì)空間機(jī)械臂的三維運(yùn)動(dòng)微重力模擬這一難點(diǎn)，對(duì)基于氣浮的三維微重力模擬方法也進(jìn)行了

2、研究。
　　本文介紹了當(dāng)前國內(nèi)外空間機(jī)器人的發(fā)展概況，對(duì)空間機(jī)器人軌跡控制的研究情況進(jìn)行了概述，然后對(duì)空間機(jī)器人的微重力模擬方法進(jìn)行了綜述，指出了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。針對(duì)姿態(tài)受控和不受控兩種情況下的空間機(jī)器人系統(tǒng)，建立了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，并以此為基礎(chǔ)對(duì)空間機(jī)器人軌跡跟蹤控制問題進(jìn)行了研究。
　　首先，針對(duì)空間機(jī)器人數(shù)學(xué)模型中包含的不可建模部分，基于Lyapunov理論推導(dǎo)出對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性造成影響的不確定模型，進(jìn)而采用具有學(xué)習(xí)能

3、力的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)不確定模型進(jìn)行逼近，針對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的逼近誤差，設(shè)計(jì)了魯棒控制器來自適應(yīng)補(bǔ)償。利用線性參數(shù)化技術(shù)設(shè)計(jì)了權(quán)值及網(wǎng)絡(luò)參數(shù)在線實(shí)時(shí)自適應(yīng)學(xué)習(xí)律?？紤]到工程應(yīng)用性，引入PD控制器來便于參數(shù)調(diào)節(jié)。基于Lyapunov理論證明了系統(tǒng)的一致最終有界。
　　進(jìn)一步，針對(duì)空間機(jī)器人的參數(shù)突變這一極端工況，首先設(shè)計(jì)了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的魯棒控制器，該控制器能夠保證參數(shù)突變前的系統(tǒng)穩(wěn)定性。但參數(shù)突變會(huì)造成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器失效，針對(duì)這一情況，接著提出了

4、基于神經(jīng)滑模集成的自適應(yīng)H∞魯棒控制策略。由于滑模變結(jié)構(gòu)控制不受系統(tǒng)參數(shù)變化和擾動(dòng)的影響，且具有快速響應(yīng)特性。該集成控制器是在利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近域的分級(jí)策略的基礎(chǔ)上，通過飽和函數(shù)將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器及滑?？刂破鞴饣啥??？梢栽趨?shù)突變時(shí)，快速啟動(dòng)滑?？刂破鱽韺?duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近域外的盲區(qū)進(jìn)行補(bǔ)償控制，而補(bǔ)償誤差作為外界干擾由魯棒控制器進(jìn)行抑制，從而加快誤差收斂速度，并使系統(tǒng)L2增益小于給定指標(biāo)，保證參數(shù)突變下系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
　　另外，考慮

5、到自由漂浮空間機(jī)器人的關(guān)節(jié)電機(jī)通常運(yùn)行于低速工況下，這造成測速信號(hào)的質(zhì)量較差，而且測速機(jī)的附加重量也影響了空間機(jī)器人效率。因此研究無速度信息反饋的空間機(jī)器人控制方法具有一定價(jià)值。本文提出了基于速度觀測器的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略。所設(shè)計(jì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)同時(shí)充當(dāng)控制器和觀測器的雙重作用，即神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在補(bǔ)償控制器中的不確定部分的同時(shí)，還逼近觀測器中未知非線性，并與誤差度量結(jié)合來估計(jì)角速度信息。所提出的控制方法無需慣性矩陣逆及精確的空間機(jī)器人數(shù)學(xué)模型，僅需要

6、知道關(guān)節(jié)位置信息。其權(quán)值及網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的自適應(yīng)算法能夠?qū)崿F(xiàn)在線自適應(yīng)調(diào)整，并基于Lyapunov理論證明了整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
　　隨后，針對(duì)空間機(jī)器人關(guān)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的死區(qū)問題，提出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)補(bǔ)償控制策略。系統(tǒng)不確定模型采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近，其逼近誤差采用變結(jié)構(gòu)控制器作為魯棒項(xiàng)消除。對(duì)于執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的死區(qū)環(huán)節(jié)，采用兩個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分別進(jìn)行死區(qū)估計(jì)和自適應(yīng)補(bǔ)償，推導(dǎo)出死區(qū)輸出、死區(qū)補(bǔ)償器及控制器三者之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。設(shè)計(jì)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器、補(bǔ)償

7、器及死區(qū)估計(jì)器的在線自適應(yīng)學(xué)習(xí)律。基于Lyapunov理論證明了整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)跟蹤誤差的一致最終有界。
　　最后，為了更好地開展空間機(jī)器人地面試驗(yàn)研究，針對(duì)空間機(jī)器人的三維運(yùn)動(dòng)微重力模擬這一難點(diǎn)，提出了基于氣浮的被動(dòng)式和主動(dòng)式兩種新穎的模擬實(shí)驗(yàn)方法。被動(dòng)式系統(tǒng)采用配重法及力矩平衡理論解決了重力補(bǔ)償問題，而主動(dòng)式系統(tǒng)則通過一系列機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及力反饋控制系統(tǒng)來組成微重力補(bǔ)償系統(tǒng)。兩種模擬方法均能解決空間機(jī)器人三維運(yùn)動(dòng)軌跡下的微重力模擬問