[发明专利]一种空间机械臂的容错控制方法

说明书

本发明属于工业自动控制领域，具体涉及一种空间机械臂的容错控制方法，包括如下步骤：步骤一、建立空间机械臂动力学通用模型；步骤二、考虑执行器失效故障的存在，建立空间机械臂故障模型；步骤三、对空间机械臂故障模型的故障参数和外部扰动通过在线自适应的方法进行实时估计与控制器参数更新。其对执行器故障的强容忍能力，以及对外部扰动的强鲁棒性，达到空间机械臂系统所期望要求的容错控制方法。

技术领域

本发明属于工业自动控制领域，具体涉及一种空间机械臂的容错控制方法。

背景技术

随着科技的进步，机械臂技术也在飞速发展，其适用的范围和领域也在不断扩大，人类对它的需求也从不同的环境和场合体现出来。人们不仅需要机械臂能帮助人们更好的生活和工作，更需要机械臂能在工作空间受限或复杂多变的环境下完成更危险更复杂的任务。因此，机械臂不仅在日常生活中为人们所运用，更被广泛应用于军事、深海探测、空间探测等危险领域。

空间探测是机械臂的一个重要应用领域。在太空环境下，人类生命时刻受到威胁，不能进行长时间的工作，此时就需要先进的机械臂系统来代替人们完成一些宇宙探索或者试验任务，尤其是舱外工作，从而提高太空任务的效率和安全性。对于空间机械臂而言，一方面由于在运行过程中负载是随着时间的变化而变化的，关节间的摩擦系数也是一直随着时间在变化，以及外界的扰动的不确定性等因素可能导致机械臂产生故障情况。另一方面，太空环境极其恶劣，机械臂会受到粒子辐射，电磁干扰，极度低温等不利因素的影响，因此非常容易发生故障，从而极大地降低机械臂的性能，导致给定任务不能及时完成，甚至会引发更严重的事故。因此，为了克服这些问题，保证机械臂系统能够安全稳定地运行，机械臂系统需要拥有能够处理执行器部分失效故障及外界未知扰动等突发情况的能力。

目前容错控制方案比较多，但与空间机械臂相结合的却不算多。空间机械臂容错控制主要包括滑模控制技术、最优控制、分散反演神经网络控制等。但就自适应滑模技术来说，仍存在以下不足之处有待解决：(1)滑模面到达时间较长；(2)参数自适应估计值的时效性和准确性；(3)系统抖振较大。

发明内容

本发明为解决空间机械臂系统存在机械臂部分失效故障以及未知扰动的情况，提供一种空间机械臂的容错控制方法，其对执行器故障的强容忍能力，以及对外部扰动的强鲁棒性，达到空间机械臂系统所期望要求的容错控制方法。

为实现上述技术目的，本发明采用的具体技术方案为，部扰动的强鲁棒性，达到空间机械臂系统所期望要求的容错控制方法，具体提出一种空间机械臂的容错控制方法，包括如下步骤：

步骤一、建立空间机械臂动力学通用模型，

q∈Rⁿ表示关节位置矢量，表示关节速度矢量，表示关节加速度矢量；Rⁿ表示n维向量空间；

H代表H(q)，为对称正定惯性矩阵，H(q)∈R^n×n，R^n×n表示n×n阶实矩阵，且H(q)＝[h_ab]，a＝1，2，…，n，表示对称正定惯性矩阵H的行数，b＝1，2，…，n，表示对称正定惯性矩阵H的列数；°T_k表示机械臂执行器的齐次变换矩阵；q_a表示第a关节的位置矢量和q_b表示第b关节的位置矢量，I_k为伪惯量矩阵；

C代表为哥氏力和离心力矩阵，a＝1，2，…，n，表示哥氏力和离心力矩阵C的行数；b＝1，2，…，n，表示哥氏力和离心力矩阵C的列数；q_k表示第k关节的位置矢量；