[发明专利]一种针对目标操作的空间机器人基座解耦控制方法

摘要

本发明提出一种针对目标操作的空间机器人基座解耦控制方法，在忽略机械臂本身的质量惯量情况下，建立了对目标进行操作的空间机器人系统模型，通过操作目标的运动信息，构建了目标操作时对基座的各种干扰力矩的解析式，通过反馈控制器对干扰进行补偿，实现了基座的解耦控制。本发明相对于传统的解耦控制，不需要配置力矩传感器，而利用干扰补偿则实现了与基座、机械臂、操作目标一体化控制器相当的控制性能，特别适用于工程实际中，基座、机械臂、操作目标由不同研制单位研制的实际情况。

主权项

1.一种针对目标操作的空间机器人基座解耦控制方法，其特征在于包括以下步骤：(1)定义空间机器人由基座、机械臂、操作目标组成，机械臂安装在基座上，利用机械臂对操作目标进行捕获操作，定义轨道坐标系XYZ，原点位于空间机器人的质心，Z轴指向地心，X轴指向空间机器人飞行方向，Y轴与X、Z轴形成直角坐标系；在基座与目标体上，分别建立固连的本体坐标系；定义基座的本体坐标系X₀Y₀Z₀，原点位于基座的质心，X₀轴、Y₀轴、Z₀轴分别对应与X轴、Y轴、Z轴平行；定义操作目标的本体坐标系X₁Y₁Z₁，原点位于操作目标的质心，X₁轴、Y₁轴、Z₁轴分别对应与X轴、Y轴、Z轴分别平行；定义惯性坐标系X_iY_iZ_i，原点位于空间机器人的质心，X_i、Y_i、Z_i在惯性空间内保持指向不变；(2)设计基于四元数信息的姿态控制器形式为T_CMG＝‑J_A(k_dω₀+k_pq_e)+T_dist其中，q＝[q_e0 q_e]^T为姿态四元数，q_e为姿态四元数的矢量部分，q_e0为姿态四元数的标量部分,为系统总的转动惯量，A₀₁为从坐标系X₁Y₁Z₁到坐标系X₀Y₀Z₀的坐标转换矩阵；所述的系统指空间机器人机械臂与目标连接后形成的组合体；J₀为基座部分相对于其质心的转动惯量，J₁为操作目标相对其质心的转动惯量，为操作目标质心相对基座质心的矢量，相应地R表示在坐标系内的分量值，其它变量类似，为基座相对于惯性系的角速度，为目标相对基座的角速度，为目标质心相对基座质心的运动速度；上式中的变量除了及J₁在操作目标的本体坐标系内描述外，其它矢量或并矢均在基座的本体系内表示；(3)针对姿态控制器，分别提炼出操作目标对基座的干扰项，即：由系统惯量变化引起的干扰力矩为：由目标的速度引起的干扰力矩为：由目标的加速度引起的干扰力矩为：由目标的线加速度引起的干扰力矩为：由系统角动量引起的陀螺力矩为：(4)根据(1)中的姿态控制器，采用上面各干扰表达式判断惯量变化引起的干扰力矩、操作目标的速度引起的干扰力矩、操作目标的加速度引起的干扰力矩、操作目标的线加速度引起的干扰力矩对空间机器人姿态控制的影响，在系统设计时，可分别判断各项干扰，调整目标操作期间的系统转动惯量、操作目标的速度、加速度、线加速度对系统的影响。