航天五院王耀兵团队：面向机械臂的新型递归复合自适应控制器设计 | SPACE导读

面向机械臂的新型递归复合

自适应控制器设计

在中国空间站的建造和日常维护过程中，空间机械臂承担着部分关键任务，如换位对接、辅助航天员出舱活动等。影响上述空间操作任务成败的关键因素是空间机械臂的操控精度，而机械臂的控制方法则直接决定了机械臂的操控精度。但在实际空间任务中，描述空间机械臂运动的动力学系统中常常含有各类不确定性参数，这也显著增加了机械臂的控制难度。

在Space: Science & Technology (《空间科学与技术》)新发表的文章中，为解决大量不确定性参数导致空间机械臂操控计算量大、精度低的问题，航天五院王耀兵团队联合中国科学院复杂系统管理与控制国家重点实验室提出了一种面向机械臂的新型递归复合自适应控制器设计方法。

作者首先回顾了复合自适应控制方法的提出和发展：自适应控制方法在应对具有不确定或慢时变参数系统时具有良好的收敛性。自适应方法中，参数更新规律取决于选取的信号类型。根据信号类型的不同，自适应控制可分为直接自适应和间接自适应两类。在直接自适应控制中，参数更新规律用以跟踪误差为变量的公式描述。而间接自适应控制则使用预测误差构造参数更新规律。基于跟踪误差的自适应控制通常可以保证系统的全局收敛，但估计参数的收敛具有更严格的条件。相比之下，间接自适应控制具有更快的收敛速度，但无法确保跟踪误差的稳定性。因此，专家学者提出了将两种方法有机结合的复合自适应控制方法，参数更新规律兼具跟踪误差和预测误差的共同表征。

另一方面，由于控制方法计算量与机械臂关节数量、自由度成线性关系，实际的机械臂操控任务中经常面临计算规模大、计算速度慢的问题。然而，复合自适应方法也难以应对超大规模计算问题，其中一个重要原因是回归矩阵表示的预测误差无法降低控制解算的阶数。为解决上述问题，作者采用了矩阵形式的牛顿-欧拉方程来描述空间机械臂的动力学模型，在此基础上提出了递归复合自适应控制方法。经验证，所提出方法较已有研究可降低计算量二到三阶，与直接自适应方法计算量相当。但通过进一步的仿真对比，递归复合自适应方法比直接自适应方法的测量误差更小、参数预测的收敛速度更快。

此外，作者还通过选取合适的李雅普诺夫函数证明了所提出控制方法的全局渐进稳定性，并结合中国空间站机械臂的相关参数进行了数值仿真，证明了所提出方法的有效性。

原文链接

https://spj.sciencemag.org/journals/space/2021/9801421/

引用格式

Jianfei Li, Yaobing Wang, Zhiyong Liu, Xin Jing, and Chengwei Hu, “A New Recursive Composite Adaptive Controller for Robot Manipulators”, Space: Science & Technology, Vol. 2021, Article ID 9801421,7pages, https://doi.org/10.34133/2021/9801421.

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