基于机械臂驱动的超近距离操作航天器位姿一体化鲁棒自适应控制

High-precision translational and rotational control of the spacecraft is the key problem for space proximity operations. However, for present thruster-actuated control methods, many problems remain to be settled due to nonlinear characteristics of thrusters, including low control accuracy and high fuel cost. To handle this issue, the present project proposes a novel manipulator-actuated integrated translational and rotational control scheme for the proximity operational spacecraft. Nevertheless, manipulator-actuated control system design faces many challenges, including complex multi-body kinematics, joint motion limitation, initial system momentum disturbance, unknown mass properties and structural uncertainties. The project will comprehensively consider these factors and firstly formulate the manipulator-actuated coupled translational and rotational dynamics of the spacecraft. The integrated translational and rotational regulation ability will be then analyzed and assessed for a given mass ratio of the spacecraft to the manipulator. In what follows, integrated translational and rotational robust adaptive control strategies will be studied to deal with various system uncertainties and constraints, and to improve the control accuracy and performance. Finally, a ground test platform will be constructed to verify the effectiveness of the proposed control algorithm. Due to the high control accuracy and low fuel cost, the proposed control scheme will provide a better and feasible way to tackle control problems in space proximity operations.

航天器位姿一体化高精度控制是实现空间超近距离操作任务的关键。目前，实现控制的执行机构以喷管为主，其工作过程呈现多重复杂非线性特征，致使控制精度及性能难以达到预期效果，且燃料消耗无法避免。对此，课题提出基于机械臂驱动的航天器位姿一体化控制方式。然而，机械臂的介入，使得航天器系统具有多连接体复杂特征；同时，关节运动受限、初始动量干扰、质量参数未知及未建模动态等诸多因素，也为该方式下的控制算法设计带来挑战。课题综合考虑上述因素，在建模基础上，完成机械臂驱动的航天器位姿调节能力分析，并提出该方式下的航天器位姿一体化鲁棒自适应控制方法，克服系统各类不确定性与约束，提升位姿控制精度与性能；随后，基于地面实验平台，验证建模合理性及控制算法有效性。课题提出的基于机械臂驱动的航天器位姿一体化控制方式及相关研究，既能提高控制精度及性能，又可避免燃料消耗，为空间超近距离操作的控制问题提供一条优质可行的技术途径。

航天器位姿一体化高精度控制是实现空间超近距离操作任务的关键。目前，实现控制的执行机构以喷管为主，其工作过程呈现多重复杂非线性特征，致使控制精度及性能难以达到预期效果，且燃料消耗无法避免。对此，课题提出基于机械臂驱动的航天器位姿一体化控制方式。然而，机械臂的介入，使得航天器系统具有多连接体复杂特征；同时，关节运动受限、初始动量干扰、质量参数未知及未建模动态等诸多因素，也为该方式下的控制算法设计带来挑战。课题综合考虑上述因素，在运动学与动力学建模基础上，完成机械臂驱动的航天器位姿调节能力分析，探索并研究了该方式下的航天器位姿一体化鲁棒自适应控制方法，克服系统各类不确定性与约束，旨在提升位姿控制精度与性能。. 课题利用空间算子技术，提出了两个向量分解，在Lagrange框架下完成了空间多机械臂系统显式动力学建模，融合了传统Euler-Newton与Euler-Lagrange建模方法的优势，并据此完成了机械臂驱动下的航天器位姿耦合运动学与动力学建模。随后，考虑机械臂运动约束、质量参数不确定性等问题，完成了机械臂驱动下速度级位姿一体化镇定与自适应调节的相关研究。进一步，考虑机械臂臂杆质心不确定性及质量参数不确定性，完成了空间多机械臂系统显式回归方程的完整推导，并据此完成了力矩级位姿一体化自适应控制研究。最后，通过数值仿真以及地面试验系统，验证了控制算法有效性。课题提出的基于机械臂驱动的航天器位姿一体化控制方式及相关研究，既能提高控制精度及性能，又可有效避免燃料消耗，为空间超近距离操作的控制问题提供一条优质可行的技术途径。. 在本项目支持下，项目组在基金执行期间共发表SCI检索论文5篇，EI检索论文6篇；授权发明专利6项，受理发明专利3项。. 基于上述研究成果，项目负责人在2018年第37届中国控制会议上组织并主持了题为“Control Approaches and Applications of Uncertain Systems with Non-ideal Actuators”的技术分组会议。