一种分数阶区间二型模糊滑模空间机械臂跟踪控制方法

本发明涉及空间机械臂控制，具体而言，涉及一种分数阶区间二型模糊滑模空间机械臂跟踪控制方法。

背景技术：

1、在太空探索中，航天员出舱作业需面对太空辐射、微重力、极端温度等恶劣条件，这不仅降低了任务执行效率，也严重威胁其安全。随着空间技术的快速发展，空间机器人的应用日趋广泛。空间机器人是一种特种机器人，用于辅助或替代人类在空间环境下完成出舱操作、探测等任务。其中，空间机械臂类似于人的手臂，由基座和多根连杆组成。它不仅可以帮助航天员移动，还能执行设备安装、维修更换等操作，从而减少航天员出舱时间，保障其安全。此外，空间机械臂具备强大的捕获、交会对接能力以及大负载搬运能力，已成为空间站建设、维护与运行中不可或缺的设备。

2、空间机械臂控制器是实现空间机械臂精准、可靠作业的核心。但空间动力学具备强非线性、强耦合、参数时变特点，传统定模型控制方法难以适配在轨工况，大负载搬运、精细对接场景下易发生振荡冲击，作业安全性受影响。同时现有算法能耗优化不足，多任务切换的轨迹规划与力分配依赖经验或离线计算，无法实时应对突发工况，造成能耗升高、任务周期增加；并且控制器面对设备老化、关节摩擦、热变形等渐进式干扰鲁棒性差，缺少自适应调节机制，难以同时兼顾高精度、低能耗与强抗扰性能。

技术实现思路

1、本发明解决的问题是现有空间机械臂控制器难以同时实现高精度稳定控制、动态轨迹优化、智能力分配以及强环境适应能力的技术问题。

2、为解决上述问题，本发明提供一种分数阶区间二型模糊滑模空间机械臂跟踪控制方法、系统、电子设备及存储介质。

3、第一方面，本发明的一种分数阶区间二型模糊滑模空间机械臂跟踪控制方法，包括：

4、建立空间机械臂的动力学模型；

5、根据所述动力学模型构建分数阶区间二型模糊滑模控制器，

6、基于构建分数阶区间二型模糊滑模控制器确定机械臂关节控制力矩，以实现空间机械臂的跟踪控制。

7、可选地，所述根据所述动力学模型构建分数阶区间二型模糊滑模控制器，包括：

8、建立空间机械臂的动力学模型，其中，所述空间机械臂包括漂浮基座、柔性关节和柔性连杆，所述动力学模型包括所述漂浮基座的六自由度运动方程与所述带柔性关节和柔性连杆的机械臂耦合动力学方程；

9、获取所述漂浮基座的角速度和角加速度，求解所述六自由度运动方程；

10、基于所述六自由度运动方程和机械臂耦合动力学方程，构建分数阶区间二型模糊滑模控制器，其中，所述分数阶区间二型模糊滑模控制器的输入为滑模面，调节参数为滑模趋近律。

11、可选地，所述六自由度运动方程，具体表达式为：

12、，

13、，

14、式中，为漂浮的基座惯量矩阵，为漂浮基座的质量，为所述漂浮基座的角速度，为所述漂浮基座的角加速度，表示的叉乘矩阵，为是所述漂浮基座的位移，为所述漂浮基座位移以及姿态执行机构作用于所述漂浮基座的力、为所述漂浮基座位移以及姿态执行机构作用于所述漂浮基座的力矩，为机械臂作用于所述漂浮基座的力、为机械臂作用于所述漂浮基座的力矩。

15、可选地，还包括pd控制器，

16、所述pd控制器基于所述六自由度运动方程对所述漂浮基座的位置和姿态进行控制和参数调整，具体表达式为：

17、，

18、式中，为控制量，、分别为所述漂浮基座位移、姿态执行机构作用于所述漂浮基座的力、力矩，为比例增益矩阵，为微分增益矩阵，为所述漂浮基座姿态、位置的误差向量，为所述误差向量的一阶导数。

19、可选地，所述滑模面，具体表达式为：

20、，

21、式中，为滑模面，c为滑模面增益参数，，为角度误差，即空间机械臂的期望关节角度与实际关节角度之差，为所述角度误差的一阶导数。

22、可选地，所述滑模趋近律，具体表达式为：

23、，

24、式中，为所述滑模趋近律，，是模糊控制解模糊后得到的一个清晰值，分数阶幂函数的阶次，为所述滑模面，为可调节参数。

25、可选地，所述基于构建分数阶区间二型模糊滑模控制器确定机械臂关节控制力矩，具体表达式为：

26、，

27、式中，为所述机械臂关节控制力矩；为机械臂广义坐标；为关节角度导数；为滑模面增益参数；为期望关节角度的时间导数；为误差角速度；为所述滑模面；为所述滑模趋近律；为机械臂惯性矩阵；为离心力与科氏力矩阵；为刚度矩阵；为所述漂浮基座的运动等效力矩向量。

28、第二方面，本发明的分数阶区间二型模糊滑模空间机械臂跟踪控制系统，包括：

29、数据获取单元，用于建立空间机械臂的动力学模型；

30、数据处理单元，用于根据所述动力学模型构建分数阶区间二型模糊滑模控制器；

31、数据分析单元，用于基于构建分数阶区间二型模糊滑模控制器确定机械臂关节控制力矩，以实现空间机械臂的跟踪控制。

32、第三方面，本发明的电子设备，包括：处理器和存储器，所述存储器用于存储计算机程序；

33、所述计算机程序在被所述处理器加载时，使所述处理器执行上述的分数阶区间二型模糊滑模空间机械臂跟踪控制方法。

34、第四方面，本发明的计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现上述的分数阶区间二型模糊滑模空间机械臂跟踪控制方法。

35、本发明的分数阶区间二型模糊滑模空间机械臂跟踪控制方法、系统、电子设备及存储介质，通过建立空间机械臂的动力学模型，能够精确反映空间机械臂在微重力环境下的真实运动特性与柔性振动耦合关系；通过构建分数阶区间二型模糊滑模控制器，实现了对滑模趋近律的在线动态调整，使得控制作用能够根据实际状态非线性地放大或压缩，有效提升了滑模控制的平稳性、准确性和快速性；最后，得到精确机械臂关节控制力矩，与现有技术相比，具有关节角度调节时间更短、稳态误差更小、时间乘绝对误差积分指标更小的优势，更能满足空间机械臂对跟踪控制准确性和稳定性的要求。

1.一种分数阶区间二型模糊滑模空间机械臂跟踪控制方法，其特征在于，所述方法，包括：

2.根据权利要求1所述的一种分数阶区间二型模糊滑模空间机械臂跟踪控制方法，其特征在于，所述根据所述动力学模型构建分数阶区间二型模糊滑模控制器，包括：

3.根据权利要求2所述的一种分数阶区间二型模糊滑模空间机械臂跟踪控制方法，其特征在于，所述六自由度运动方程，具体表达式为：

4.根据权利要求2所述的一种分数阶区间二型模糊滑模空间机械臂跟踪控制方法，其特征在于，还包括pd控制器，

5.根据权利要求2所述的一种分数阶区间二型模糊滑模空间机械臂跟踪控制方法，其特征在于，所述滑模面，具体表达式为：

6.根据权利要求2所述的一种分数阶区间二型模糊滑模空间机械臂跟踪控制方法，其特征在于，所述滑模趋近律，具体表达式为：

7.根据权利要求1所述的一种分数阶区间二型模糊滑模空间机械臂跟踪控制方法，其特征在于，所述基于构建分数阶区间二型模糊滑模控制器确定机械臂关节控制力矩，具体表达式为：

8.一种分数阶区间二型模糊滑模空间机械臂跟踪控制系统，其特征在于，包括：

9.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器和存储器，所述存储器用于存储计算机程序；

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1-7中任一项所述的分数阶区间二型模糊滑模空间机械臂跟踪控制方法。