基于时延估计技术的漂浮基空间机械臂容错控制

郭天，陈力

(福州大学 机械工程及自动化学院，福建 福州350108)

    讨论了具有未知参数的漂浮基空间机械臂在发生电机故障时的动力学建模、运动容错控制算法问题。利用Lagrange第二类动力学方程建立了系统在发生故障时的动力学模型。针对该模型，提出了一种基于Backstepping思想与时延估计技术相结合的容错控制方法，并证明了整个闭环控制系统的渐进稳定性。提出的混合控制方法能够有效地解决漂浮基空间机械臂参数不确定及电机故障问题。通过计算机数值仿真，验证了上述控制方案的有效性和可行性。随着空间科学技术的快速发展，人类在太空作业将会越来越频繁。近几十年来，空间站、航天飞机以及空间机械臂系统的广泛应用，使得人类已经能够在空间环境中完成很多复杂的工作。作为将来逐渐代替人类工作的空间机械臂系统成为了国内外科学家研究的热点［1-6］。由于空间机械臂系统与载体之间存在着复杂的动力学耦合关系以及系统参数不确定的情况，因此空间机械臂系统的轨迹控制问题一直是该领域内的难点。

    综合空间作业巨大的经济成本和维修难度极高等因素，容错控制技术便具有极高的实用价值与经济价值。由于容错控制具有在系统发生故障时仍然保证系统稳定的特点，所以在空间机械臂系统的研究领域有着很高的实用价值。但目前容错控制技术与空间机械臂系统相结合的研究并不多，大多数理论研究都是应用于固定载体的地面机械臂系统中。文献［7］设计了一种鲁棒自适应的控制方法对系统故障进行补偿；文献［8］针对双电机同步驱动伺服系统中执行器失效的情况，提出了一种基于自适应滑模的故障诊断和容错控制策略；文献［9］针对水下机器人提出了一种基于RCMAC递归小脑神经网络在线辨识故障的主动滑模容错控制方法；文献［10］基于李亚普诺夫方程的LMI条件及次优性能，设计了一种同时实现系统的故障补偿控制和性能优化的控制方法；文献［11］对机器人关节锁死问题，设计出一种最优路径的方法，来避免故障对系统的影响；文献［12］对工程中的机械振动问题提出了较为有效的解决方法，可以用来解决柔性机器人的振动问题；文献［13］提出了一种刚、柔机械臂相耦合的机器人系统，并为其设计了控制方法，同时解决了轨迹跟踪与柔性振动问题。
   
    本文将漂浮基空间机械臂动力学模型与系统动量、动能守恒原理相结合，讨论了载体位置不受控、姿态受控情况下，漂浮基空间机械臂系统的容错控制问题，设计了一种基于时延估计技术的容错控制方案。该方案具有不需要对故障进行在线估计的特点，并且具有很强的自适应能力，保证了系统的稳定性和轨迹跟踪的精确性。

1建立具有关节控制电机故障的漂浮基空间机械臂动力学模型

    作平面运动的漂浮基空间机械臂系统，几何结构如图1所示。整个系统由漂浮基座B0、刚性机械臂B1及刚性机械臂B2共同组成，并假设系统做平面运动。

    根据Lagrange第二类动力学方程并结合系统动能、动量守恒关系［1］，可得到关节控制电机发生故障时的空间机械臂系统动力学方程：

D(θ)θ¨+H(θ,θ·)θ·=τ   (1)

式中：θ=(θ0,θ1,θ2)T，θ0，θ1，θ2分别为载体姿态.....

作者简介：郭天(1988—)，男，陕西西安人，福州大学硕士研究生，主要研究方向为空间机器人智能控制。
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