基于扩张状态观测器的漂浮基空间机器人姿态、关节运动模糊控制
杜欣1,2， 陈力1,2
(1.福州大学机械工程及自动化学院，福建 福州 350116)
(2.福建省高端装备制造协同创新中心，福建 福州 350116)
摘要：讨论了载体位置不控、姿态受控的漂浮基空间机器人基于扩张观测器的模糊控制方法。在平面两连杆空间机械臂物理模型的基础上，依据Euler-Lagrange方程建立了空间机器人机械臂系统的动力学方程；基于自抗扰控制技术，设计了扩张状态观测器（ESO），对空间机器人机械臂系统模型不确定的部分进行了实时的估计及观测，提高了系统的控制性能；结合模糊控制技术对非线性误差反馈率进行设计，调节并选择适当的参数，显著提高了系统的轨迹跟踪性能。通过设定合理的Lyapunov函数对所提出的方法进行了稳定性分析。最后以平面两连杆空间机械臂为被控对象进行数值仿真，仿真结果验证了所提控制方法的可行性和有效性。
关键词：空间机器人；扩张状态观测器；模糊控制器；关节跟踪
中图分类号：TP241 文献标识码：A 文章编号：2095-509X(2019)05-0035-05

随着航天事业的迅猛发展，人类对太空探测的深度与广度不断增加。空间机器人能够适应太空中复杂的工况环境，在人类对太空的不断探索中发挥着至关重要的作用。空间机械臂一般设计成载体位置不控的形式，但对载体的姿态有一定的要求。空间机械臂系统存在着强耦合、非线性、内外部扰动参数实时变化等问题，为此许多专家学者提出了各种不同的对机械臂系统进行控制的方法。刘福才等提出了一种适用于漂浮基柔性关节的神经网络控制方法。于潇雁等提出了一种应用增广自适应控制方法的速度观测器。程靖等提出了一种在力矩受限的情况下闭链双臂自适应控制方法。韩京清提出了自抗扰控制方法，主要针对如何对不确定因素进行估计与补偿。Qin等提出了有关空间机器人模糊控制的自适应方法。在综合以上文献研究成果的基础上，本文针对存在非精准物理模型的漂浮基空间机械臂，采用自抗扰控制技术设计扩张状态观测器（ESO）及模糊控制器，对其观测向量及载体、关节的姿态角进行实时估计并作出补偿，达到关节轨迹精确跟踪的目的。

1 漂浮基空间机械臂系统动力学模型
对于 n关节机械臂系统，对其作如下假设：
1) 系统的机械臂均视为刚性臂;
2) 系统处于空间漂浮状态，不考虑其重力、摩擦力，且系统不受其他的外力及外力矩作用;
3) 系统由基座和n个连杆构成, 基座的位置不受控，姿态受控。
为简化设计，本文以平面两连杆机械臂作为被控对象进行研究，如图1所示。

依据Euler-Lagrange方程进行建模，具有2个关节的载体位置受控、姿态不受控且存在模型不确定性的漂浮基空间机器人系统的动力学方程可表示成如下形式：

D(q)C(q,)=τ
(1)
式中：q∈R3，为机械臂关节铰的位移矢量；D(q)∈R3×3，为空间机器人的惯量矩阵；C(q,)∈R 3×3，为包含科氏力、离心力的列向量；τ∈R3，为作用在机械臂关节上的驱动力矩。

基金项目：国家自然科学基金资助项目（11372073,11072061）；福建省工业机器人基础部件技术重大研发平台(2014H21010011)
作者简介：杜欣（1992—），女，硕士研究生，主要研究方向为空间机器人系统动力学与控制，duxin19923333@163.com.