控制力矩陀螺驱动的空间机器人轨迹跟踪控制

提出一种新的空间机器人设计概念,并研究其轨迹跟踪控制问题.系统中的各机械臂以自由球铰连接,在机器人平台和每节机械臂上均安装有一组控制力矩陀螺（CMGs,Control Moment Gyroscopes）作为控制力矩执行机构.采用改进的罗格里得斯参数（MRPs,Modified Rodrigues Parameters）描述平台和各节机械臂的姿态,利用Kane方程建立了系统的动力学模型.在此基础上,用逆动力学方法设计了系统的轨迹跟踪控制律,用以实现卫星平台的位置/姿态和机械臂末端作用器位置的轨迹跟踪控制.采用带有零运动的CMGs操纵律以使CMGs准确输出力矩并回避构型奇异.基于两关节机械臂系统和金字塔构型CMGs的数值仿真结果验证了所设计的控制律和操纵律的有效性,以及自由球铰连接方式在提高末端作用器运动自由度和降低系统动力学耦合方面的优越性.      

无反作用力矩空间机器人轨迹跟踪控制

针对目前关节驱动方式的不足,提出一种采用无反作用力矩驱动方式的空间机器人设计概念。系统平台与各节机械臂上均安装一组金字塔构型的控制力矩陀螺（CMGs）作为力矩执行机构,各臂间由自由球铰连接。采用Rodriguez参数描述平台姿态和机械臂角位移,利用Kane方程建立系统动力学模型。在此基础上,设计了渐近稳定的轨迹跟踪控制律,使得平台姿态和机械臂角位移跟踪期望运动轨迹;并设计了CMGs操纵律,使之准确输出期望控制力矩。此外,研究了机械臂工作空间到关节空间的轨迹规划算法,使得所设计的控制律也可应用于工作空间的轨迹跟踪控制。由三关节系统的仿真结果,验证了无反作用力矩设计概念的可行性和轨迹规划算法的有效性。     

CMGs驱动空间机械臂的自适应终端滑模控制

摘要： 针对V构型控制力矩陀螺（CMGs）驱动的空间机械臂的轨迹跟踪控制问题,研究一种自适应非奇异终端滑模（ANTSM）控制方法.利用基于Kane方程的递推组集算法建立了系统的动力学模型.以跟踪误差为变量,构造非奇异滑动面,以保证跟踪误差在滑动面上有限时间收敛.针对系统质量特性参数与关节处干扰力矩的不确定性,设计自适应控制器用以调节控制增益.该控制方法无需不确定性的上界,且闭环系统具有最终一致有界性.仿真结果表明,该控制器可使系统准确跟踪期望轨迹,并对质量特性参数不确定性和关节干扰力矩具有良好的鲁棒性.     

基于奇异值分解的单框架变速控制力矩

摘要： 本文提出一种新的变速控制力矩陀螺（VSCMGs）的角动量管理方法.将VSCMGs的控制力矩(CMGs)模式和飞轮模式分开求解同步输出,对CMGs模式力矩输出进行奇异值分解,只有CMGs模式接近奇异的时候,在奇异方向上的指令力矩才会分配一部分给RWs模式,从而在保证VSCMGs输出精度的情况下尽量充分的利用VSCMGs的执行能力.同时角动量管理算法中还引入零运动来实现转子轮速平衡以及框架构型避奇异,并且考虑了框架角速度死区非线性以及忽略项的补偿问题.仿真结果表明,所设计的操纵律在航天器大角度快速姿态机动时,可以实现高精度的大力矩输出.     

VGT空间机械臂地面悬吊系统二自由度控制

为了在地表环境下对多节双八面体变几何桁架空间机械臂进行空间环境模拟研究,需要把机械臂悬吊起来进行重力补偿.根据机械臂的正向运动学和张力吊挂原理,设计了悬吊系统二自由度控制器.该控制器其中一个自由度由机械臂的正向运动学得出前馈控制信号,另一个自由度根据张力的偏移信号,采用PI控制得出反馈控制信号,结合两个自由度的信号对吊索长度进行收放控制,从而使吊索保持恒定张力.实验表明,该控制器能快速、稳定、可靠地控制机械臂吊索张力,既能补偿前馈控制无法消除的结构误差,又能解决反馈控制响应过慢的问题,控制性能远远优于单自由度控制     

基于奇异值分解的单框架变速控制力矩陀螺角动量管理方法

本文提出一种新的变速控制力矩陀螺(VSCMGs)的角动量管理方法.将VSCMGs的控制力矩(CMGs)模式和飞轮模式分开求解同步输出,对CMGs模式力矩输出进行奇异值分解,只有CMGs模式接近奇异的时候,在奇异方向上的指令力矩才会分配一部分给RWs模式,从而在保证VSCMGs输出精度的情况下尽量充分的利用VSCMGs的执行能力.同时角动量管理算法中还引入零运动来实现转子轮速平衡以及框架构型避奇异,并且考虑了框架角速度死区非线性以及忽略项的补偿问题.仿真结果表明,所设计的操纵律在航天器大角度快速姿态机动时,可以实现高精度的大力矩输出.     

柔性基座冗余机械臂的最优反作用控制

针对柔性基座冗余机械臂的末端轨迹跟踪问题，提出一种反作用最优控制方法，该算法将轨迹跟踪视为高优先级任务，而反作用优化控制在高优先级任务零空间内进行。由于冗余机械臂的自运动能在不影响末端运动的前提下改变关节运动，利用冗余机械臂的自运动消除振动系统中的低阶模态力，使机械臂在完成轨迹跟踪的同时激起的弹性振动大幅减小，从而提高了系统的稳定性。以平面3自由度柔性基座机械臂和空间7自由度柔性基座机械臂为例进行数值仿真，证实了方法的有效性。     

基于阻抗控制的机械臂末端工具的柔顺控制

当空间机械臂执行任务时与环境相接触，机械臂末端工具和目标之间可能存在很大的接触力.为了将接触力限制在一定范围内，本文提出了基于位置控制内环的阻抗控制对机械臂末端精细工具进行柔顺控制的方法.该方法建立了机械臂末端工具的位姿与接触力/力矩之间的动态关系，使用关节位置/速度传感器和腕力传感器的测量来得到关节角、关节角速度和末端接触力反馈，使得机械臂末端执行器根据反馈作出相应的顺应性运动.研究将阻抗控制应用在复杂精细的末端工具上，将位置和姿态同时纳入柔顺控制器的设计中，实现了末端位置和姿态的综合控制.最后本文以螺钉拆卸为例，对提出的末端柔顺控制律进行位姿控制和接触力控制的仿真验证.仿真结果表明，本文设计的柔顺控制器可以有效控制接触力在合理范围内，并在误差很小的范围内实现位置和姿态的综合控制，对实际工程应用中，机械臂末端的精细操作具有指导意义.     

漂浮基姿态受控空间机械臂关节运动的自适应神经网络控制

讨论了载体位置无控、姿态受控情况下,空间机械臂姿态及关节协调运动的自适应神经网络控制问题.由拉格朗日第二类方法及系统动量守恒关系,建立了漂浮基空间机械臂的系统动力学方程.以此为基础,借助于RBF神经网络技术和GL矩阵及乘积算子定义,对空间机械臂系统进行了神经网络系统建模;之后针对空间机械臂所有惯性参数未知的情况,设计了空间机械臂载体姿态与机械臂各关节协调运动的自适应神经网络控制方案.提出的控制方案不要求系统动力学方程具有关于惯性参数的线性性质,且无需预知系统惯性参数的任何信息,也无需对神经网络进行离线训练和学习,因此更适于实时应用.通过对一个平面两杆自由漂浮空间机械臂系统的数值仿真,证实了方法的有效性.      

弹性空间机械臂动力学与控制

安装在航天器上的空间机械臂为轻质细长杆，固有的结构弹性对系统动力学及控制有明显的影响，它不仅影响抓手的工作精度，还可能导致载体一机械臂整个系统失去稳定性[1]．因此，对弹性空间机械臂系统的动力学与控制问题必须加以深入研究．地面固定基座多杆弹性机械臂动力学、逆动力学及控制问题已有许多研究，如Gawronsld等[2]在假设杆件弹性小变形、转动角速度比其固有频率小得多以及刚、弹性模型非线性项相同的前提下，得到控制方法．Cehnkunt等[3]导出了可忽略结构弹性的控制器带宽，以及自适应控制算法可实现的工作区间．文献[4，5]讨…     

200Nms单框架控制力矩陀螺研制

介绍天宫一号目标飞行器采用的单框架控制力矩陀螺的总体结构、技术指标和验证试验.该单框架控制力矩陀螺的角动量为200Nms,最大可输出力矩为20Nm,响应带宽为2Hz,其中2个控制力矩陀螺高速转子已经进行了25000h的寿命试验.天宫一号目标飞行器姿态控制系统共采用了6个单框架控制力矩陀螺来输出姿态控制力矩,当1个或2个控制力矩陀螺失效时姿态控制系统仍能正常工作.     

可变构型的控制力矩陀螺控制方法

针对固定构型的控制力矩陀螺群无法灵活改变其合成角动量包络以适应卫星不同工况的姿态机动需求问题，设计了一种可变构型的控制力矩陀螺群控制方法。建立了可变构型的控制力矩陀螺群的动力学模型；在考虑控制力矩陀螺群框架角速度、高速转子转速以及构型倾角变化速率等多变量下，设计了可变构型的控制力矩陀螺群的操纵律；分析了构型倾角固定和构型倾角可变情形下的控制力矩陀螺群合成角动量包络和奇异状态分布情况。采用可变构型的控制力矩陀螺群进行了卫星多工况姿态敏捷机动控制。数学仿真校验表明，可变构型的控制力矩陀螺控制方法能够实现金字塔构型下不同数目的控制力矩陀螺故障时的卫星三轴敏捷机动控制。     

小型控制力矩陀螺扰动建模及性能指标分析

为实现遥感卫星的高精度指向能力,对遥感卫星星上常用执行机构控制力矩陀螺扰动及性能指标评定进行了研究。首先,充分考虑小型控制力矩陀螺的静动不平衡量以及框架轴的安装误差,根据动量定理和动量矩定理建立了完整的星载小型控制力矩陀螺的动力学模型,并对所建立模型的正确性进行了理论分析和仿真验证;其次,将含有扰动特性的小型控制力矩陀螺应用到星上,建立了整星动力学模型,并选用合适的框架伺服控制系统和转子伺服控制系统,完成整星的姿态稳定控制任务;最后,采用数值仿真的方式分析了陀螺转子静动不平衡因素以及框架角测量误差对星体姿态精度和稳定度带来的影响。结合任务要求,对小型控制力矩陀螺设计提出静动不平衡量等指标要求,以期使其满足星上光学有效载荷的成像要求。     

灵敏小卫星能量/姿态一体化控制研究

研究应用变速控制力矩陀螺群(VSCMGs, Variable Speed Control Moment Gyros)作为主执行机构,完成灵敏小卫星多目标快速姿态机动时的能量/姿态一体化控制问题.在考虑执行机构饱和、机动任务要求和敏感器测量与跟踪能力受限等情况下,设计了非线性的姿态/能量一体化控制器,对由于频繁的姿态机动引起的姿态四元数的漂移进行了整定.设计了VSCMGs的操纵律.按是否接近框架构型奇异,合理分配了操纵任务,并设计了相应的操纵方法.对采用金字塔构型的VSCMGs进行了较为严格的仿真,结果表明卫星在机动中达到了快速和稳定的要求,同时能够满足能量控制要求和VSCMGs转子转速的平衡.     

轮系航天器的角动量包络分析及角动量管理

文章进行了冗余轮系航天器角动量包络分析及角动量管理问题研究。基于轮系可视化角动量包络分析,提出了一种角动量包络特征参量描述及基于特征参量的沿任意方向飞轮极限角动量的解算方法,并设计了一种基于以飞轮极限角动量为参考的零运动力矩分配轮系角动量管理策略,该方法充分利用轮系最大角动量容量,以避免系统角动量未达到包络面时出现部分飞轮角动量饱和的现象,数学仿真对比验证了所提出策略的有效性。     

Feasible angular momentum of spacecraft installed with control moment gyros

In this paper, a fundamental approach to analyzing the maneuverability of spacecraft with mounted control moment gyros is addressed by searching feasible angular momentum. The geometrical array of control moment gyros considered is a roof array also known as a 2-SPEED system. Due to the simplicity of the singularity envelope of the array considered, it is reasonably practical to conduct rotational performance analysis of the spacecraft. This maneuverability analysis technique uses a unique chart developed in this work, which allows a guaranteed maximum torque output and angular momentum at any time without concern about the singularity problem of the control moment gyros. Therefore, the purpose of this paper is to provide a conservative method for maneuverability analysis of a spacecraft with installed control moment gyros by searching allowable maximum angular momentum. This method is demonstrated using an illustrative example.