北京航空航天大学学报 ›› 2017, Vol. 43 ›› Issue (6): 1191-1198.doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0427

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控制力矩陀螺驱动空间机器人的角动量平衡控制

冯骁, 贾英宏, 徐世杰   

  1. 北京航空航天大学 宇航学院, 北京 100083
  • 收稿日期:2016-05-20 出版日期:2017-06-20 发布日期:2016-11-16
  • 通讯作者: 贾英宏,E-mail:jia_yingh@163.com E-mail:jia_yingh@163.com
  • 作者简介:冯骁 男,博士研究生。主要研究方向:多体航天器动力学与控制;贾英宏 男,博士,副教授,硕士生导师。主要研究方向:空间机器人/多体系统动力学与控制、航天器姿态动力学与控制以及滑模控制;徐世杰 男,博士,教授,博士生导师。主要研究方向:深空探测中的非线性轨道动力学与控制、航天器动力学与控制,以及鲁棒控制理论与应用。
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(11272027)

Momentum equalization control of space robot with control moment gyroscopes for joint actuation

FENG Xiao, JIA Yinghong, XU Shijie   

  1. School of Astronautics, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100083, China
  • Received:2016-05-20 Online:2017-06-20 Published:2016-11-16
  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China (11272027)

摘要: 针对V构型控制力矩陀螺(CMGs)驱动的冗余空间机器人的CMGs角动量饱和问题,提出一种角动量平衡控制方法。该方法从平衡使用机械臂各臂杆CMGs角动量的思想出发,定义了角动量平衡指标,并使用加速度分解技术和逆动力学方法设计了角动量平衡控制器。该控制器可在保证机械臂跟踪工作空间轨迹的同时,利用机械臂的空转运动使得角动量平衡指标尽量减小,即各臂CMGs的角动量使用趋于平均,从而降低某些臂杆的CMGs先行饱和的可能性,充分利用CMGs的控制能力。基于平面三自由度冗余机械臂的数值仿真结果验证了所设计的控制器的有效性。

关键词: 空间应用, 机器人, 陀螺, 冗余机械臂, 角动量, 优化

Abstract: An angular momentum equalization control method was proposed for redundant space robot with scissored-pair control moment gyroscopes (CMGs) for joint actuation. This method utilizes the space robot's extra degrees of freedom to equalize momentum usage among arm links, thus achieving CMGs' simultaneous saturation and better trajectory tracking ability. A momentum equalization index was defined following the idea of equal momentum usage to achieve simultaneous CMGs saturation. A control technique was developed based on acceleration-level redundancy resolution and inverse dynamics control, with precious operational space tracking ability and momentum equalization index local minimization functionality. The local minimization of momentum equalization index serves as a means to use angular momenta as equally as possible, which decreases the possibility of non-simultaneous saturation and takes full advantage of the CMGs' angular momentum capacity. A planar three degree-of-freedom redundant manipulator was used in numerical simulation to verify the effectiveness of the control technique.

Key words: space application, robot, gyroscopes, redundant manipulator, angular momentum, optimization

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