摘要:讨论了载体姿态、位置均不受控制的双臂空间机器人系统的控制问题.利用拉格朗日方法并结合系统动量守恒关系,建立了双臂空间机器人系统的非线性动力学模型.以此为基础,对双臂空间机器人关节运动的控制问题作了研究.考虑到空间机器人系统结构的复杂性及其某些参数的变动性,根据具有较强鲁棒性的滑模变结构控制理论,设计了双臂空间机器人关节运动的滑模变结构控制方案;为了克服滑模变结构控制器抖振的缺点,附加设计了一个模糊控制器,以便根据系统的输出来动态调节滑模变结构控制器等速趋近率的系数,从而既确保了系统的快速响应而又消除了原有的抖振.系统数值仿真证明了该控制方案良好的控制效果.
关键词:空间机器人;漂浮基双臂;协调运动;模糊变结构;滑模控制
从90年代开始,机械臂在航天器中的应用已进入实际使用试验阶段,因此关于它的运动学、动力学与控制问题的研究受到人们的广泛重视[1-6].然而值得注意的是,目前研究工作大部分是针对单臂空间机器人系统的.出于增大负载能力、提高载荷定位精度及多任务操作的需求,双臂甚至多臂空间机器人的使用是必不可免.目前相关的研究工作[7-10]多见于运动学规划级,有关控制问题的研究并不多见.由于在双臂空间机器人控制系统的实际设计中,主要问题是确定机械臂关节力矩的控制输入规律,以使机械臂完成关节或惯性工作空间的期望轨迹,因此空间机器人轨迹跟踪控制系统的设计问题非常重要.本文结合系统动量守恒关系并利用拉格朗日第二类方程,对载体姿态位置均不受控制的漂浮基双臂空间机器人系统的动力学方程作了推导.以此为基础,对双臂空间机器人关节运动的控制问题作了研究.考虑到空间机器人系统结构的复杂性及其某些参数的变动性,根据具有较强鲁棒性的滑模变结构控制理论,设计了双臂空间机器人关节运动的滑模变结构控制方案;为了克服滑模变结构控制器抖振的缺点,附加设计了一个模糊控制器,以根据系统的输出来动态调节滑模变结构控制器等速趋近率的系数,从而既确保了系统的快速响应而又消除了原有的抖振.
滑模变结构控制器以适用范围广、控制器结构简单,以及对系统的摄动和外干扰具有一定意义下的鲁棒性而得到广泛的工程应用.然而它的抖振却是应用中一个必须克服的障碍.由文献[11]可知, (7)式的等速趋近率s·=-εsgn(s)的作用,是使系统从初始状态出发在有限的时间间隔内到达滑动面,并且最终保证系统误差收敛的稳定性.其中的系数ε与实现滑动模运动的时间以及抖振的程度大小,有很大的关系.ε越大,系统进入滑动模的时间就会越快,但同时系统的抖振也会越大.对于如何抑制滑模控制器的抖振,由于国内外学者已做了很多相关的探索研究,这里不再评述.
最后,对输出变量进行清晰化处理.所谓清晰化,又称去模糊或反模糊.采用Mamdani算法[12]进行模糊推理运算,所得到的结果是一个模糊集或者是它的一个隶属函数.由于其不能直接作为控制量,因而还必须做一次转换,即将模糊量转换为清晰的数字量.由文献[13]可知,采用面积重心法(centroid)进行解模糊运算可得到令人满意的效果.因此,对所有的子模糊控制器均采用面积重心法进行输出去模糊清晰化.模糊控制器通过模糊推理得到不同的模糊输出隶属度函数,从而令控制系统根据追踪误差来动态调节趋近率中的的值,因此可以得到比较好的控制器品质.在实际应用中,上述过程也可以采用先离线计算,然后再在线查找的方式来进行.
仿真计算结果表明,设计的模糊滑模控制器可以保证系统在较大的初始偏差情况下很好地跟踪关节铰期望的运动轨迹,和传统的滑模变结构控制系统(不加模糊控制器)相比较具有响应快、抖振小、精度高的显著优点.
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