漂浮基空间机器人系统基于增广变量思想的改进变结构滑模控制

讨论载体位置与姿态均不受控制的漂浮基空间机器人系统的控制问题。首先导出了空间机器人欠驱动形式的系统动力学方程。之后借助于增广变量法,证明可以将上述系统动力学方程及系统增广广义Jacobi矩阵分别表示为一组适当选择的组合惯性参数的线性函数。以此为基础,根据具有较强鲁棒性的变结构滑模控制理论,设计了一种空间机器人惯性空间期望轨迹跟踪的改进变结构滑模控制方案。与传统变结构滑模控制相比,所提控制方案通过一次离线预估控制律中相关矩阵元素的上下限,从而避免了实时控制过程中重复计算系统动力学方程中科氏力、离心力项的麻烦,因此有效减少了计算量,更适用于机载计算机运算能力有限的空间机器人控制系统实时应用。仿真运算,证实了方法的有效性。

漂浮基空间机器人系统的PID滑模混合控制

借助于第二类拉格朗日方程推导飘浮基空间机器人位置不受控制状态下的系统动力学方程,利用PID滑模函数构造Lyapunov函数,并适当地选取系统的控制规律证明系统的渐近稳定。利用滑模到达条件使得系统迅速跟踪预设轨迹。利用系统数值仿真,证实上述控制方案的可靠性。

漂浮基双臂空间机器人系统协调运动的模糊小波神经网络控制

讨论了本体姿态受控、位置不受控的情况下,漂浮基双臂空间机器人系统协调运动的动力学控制问题。依据系统动量守恒关系和拉格朗日第二类方程,推导了漂浮基双臂空间机器人系统的动力学方程。在系统参数未知的情况下,提出了一种小波基模糊神经网络控制器,以使双臂空间机器人系统的本体姿态和机械臂关节铰协调地跟踪各自在关节空间的期望运动轨迹。提出控制器的优点在于:不仅不要求系统动力学方程关于惯性参数呈线性函数关系,而且也不需要知道系统参数;由于采用反向传播算法对网络参数进行在线训练,从而使模糊神经网络具有较好的自学习和自适应能力,这样就不需要事先进行离线训练,更适应于空间机器人系统的实际应用。利用一个双臂空间机器人系统的仿真结果,验证了所提出控制器的有效性。

具有外部扰动及不确定系统参数的漂浮基空间机器人关节运动的增广鲁棒控制

讨论了载体位置与姿态均不受控制的漂浮基空间机器人系统的鲁棒控制问题.利用拉格朗日方法及系统动量守恒关系导出了漂浮基空间机器人欠驱动形式的系统动力学方程,以确保得到的系统动力学方程关于一组适当选择的组合惯性参数呈线性函数关系.在此基础上,借助增广变量法针对末端爪手所持载荷参数存在不确定的情况,提出了对外部扰动具有鲁棒性的漂浮基空间机器人关节空间轨迹跟踪的拟增广鲁棒控制方案.所提控制方案由于充分利用空间机器人系统动量守恒关系,消除了动力学方程中载体位置相关量,因此具有不需要测量、反馈载体的位置、移动速度和移动加速度的显著优点;且由于对系统不确定参数及外部扰动始终采用保持鲁棒性的方式而非在线估计的方式,有效减少了计算量,因此更适用于机载计算机运算能力有限的空间机器人控制系统实时在线应用.一个平面两杆空间机器人系统的数值模拟仿真,证实了方法的有效性.

漂浮基闭链双臂空间机器人抓持系统动力学及载荷力/位置混合控制的模糊变结构控制器设计

讨论了载体位置、姿态均不受控制的漂浮基双臂空间机器人抓物系统的动力学建模和控制问题.利用拉格朗日方法和牛顿欧拉法分别建立了双臂空间机器人及负载的非线性动力学模型,结合空间机器人固有的特性及闭合链约束关系,得到抓持系统合成动力学方程.以此为基础,考虑到空间机器人系统结构的复杂性及某些参数的变动性,根据具有较强鲁棒性的变结构控制理论,针对该抓持系统惯性空间轨迹跟踪设计了全局滑模控制方案及相应的PI内力控制方案,从而达到位置、力的混合控制.为克服滑模控制器抖振的缺点,附加设计了模糊控制器.根据系统的输出来动态调节滑模控制器的参数,从而既可确保系统的快速响应又可降底原有的抖振.系统数值仿真征明了上述控制方案的有效性与准确性.

漂浮基空间机器人关节轨迹跟踪的时延估计控制

针对漂浮基空间机器人系统出现的载体姿态及位置不受控问题,提出了一种基于时延估计的跟踪控制方法。该控制方法采取时延估计为主体框架,对不确定参数及动力学特性进行实时估计,获得不确定项的估计误差,并在控制设计方案中对误差进行补偿。首先根据第二类Language方程建立机器人动力学模型,并结合时延估计简化动力学模型;然后结合滑模变结构控制,对估计误差进行修正和补偿,同时进一步引入指数趋近律方法,能有效削弱滑模带来的抖振问题,进一步提高了系统的稳定性;利用Lyapunov函数在设定参数下,保证了闭环系统的渐近稳定性和鲁棒性能,最后通过仿真验证了该方案可靠。

柔性臂漂浮基空间机器人建模与轨迹跟踪控制

利用拉格朗日法和假设模态方法建立了末端柔性的两臂漂浮基空间机器人的非线性动力学方程.通过坐标变换,推导出一种新的以可测关节角为变量的全局动态模型,并在此基础上运用基于模型的非线性解耦反馈控制方法得到关节相对转角与柔性臂的弹性变形部分解耦形式控制方程.最后,讨论了柔性臂漂浮基空间机器人的轨迹跟踪问题,并通过仿真实例计算,表明该模型转换及控制方法对于柔性臂漂浮基空间机器人末端轨迹跟踪控制的有效性.

漂浮基空间机器人及其柔性影响下逆模神经网络控制

针对漂浮基空间机器人及其柔性影响下动力学模型,提出一种神经网络控制方法,把神经网络和传统反馈PI控制相结合构成一种混合性机器人逆模学习控制方案,并分析此控制方法工作原理。最后给出带两机械臂漂浮基空间机器人的仿真结果。结果表明所应用逆模控制方法具有较快收敛性和较高跟踪控制精度,是一种有效的控制方法。

漂浮基空间机器人协调运动的自适应控制与鲁棒控制

讨论了载体姿态受控、位置不受控制的漂浮基空间机器人协调运动的控制问题。借助于虚拟扩展系统的控制输入与输出 ,克服了漂浮基空间机器人系统控制方程关于惯性参数呈非线性函数关系的难点 ,保持了控制方程关于惯性参数的线性函数关系。以此为基础 ,针对末端抓手所持载荷参数是未知及不确定的两种情况 ,分别设计了载体姿态及末端抓手惯性空间轨迹协调运动的自适应控制方案与鲁棒控制方案。

漂浮基柔性关节、柔性臂空间机器人动力学建模、饱和鲁棒模糊滑模控制及双重柔性振动主动抑制

讨论受到外部干扰影响的参数不确定的漂浮基柔性关节、柔性臂空间机器人系统的动力学建模过程、运动控制律设计和关节、臂双重柔性振动的主动抑制问题。利用动量、动量矩守恒关系和拉格朗日-假设模态法建立系统动力学方程。基于奇异摄动法,将系统分解为相互独立的三个子系统:慢变子系统、快变子系统1和快变子系统2。针对慢变子系统提出一种饱和鲁棒模糊滑模控制律来补偿不确定参数、柔性关节引起的转角误差以及外部干扰的影响,从而实现系统期望运动轨迹的渐近跟踪。饱和函数的运用可减弱滑模控制自身的抖振;针对快变子系统1设计一种速度差值反馈控制器来抑制柔性关节引起的系统柔性振动;针对快变子系统2采用线性二次型最优控制器来抑制柔性臂引起的系统柔性振动。仿真试验证明所提出的混合控制律的有效性。

关节柔性的漂浮基空间机器人基于奇异摄动法的轨迹跟踪非奇异模糊Terminal滑模控制及柔性振动抑制

如果在漂浮基空间机器人系统动力学建模和控制方法设计过程中忽略关节柔性的存在,其控制系统的精度和稳定性将受到极大影响。以考虑关节柔性、系统参数不确定的漂浮基空间机器人系统为研究对象,讨论了其动力学建模过程、运动轨迹跟踪控制方案设计及柔性振动振动抑制。结合拉格朗日第二类方法并结合系统动量、动量矩守恒关系,分析、建立了系统动力学方程。以此为基础,为了同时实现空间机器人运动轨迹的渐近跟踪和抑制由关节柔性引起的系统弹性振动,采用奇异摄动理论的双时间刻度分解,将系统分解为表示系统刚性运动部分的慢时标子系统和表示系统柔性运动部分的快时标子系统。针对慢时标子系统设计了非奇异模糊Terminal滑模控制方案。该控制方案采用非奇异Terminal滑模面,并基于模糊逻辑系统自适应调整控制律的切换项,不但克服了在设计中需要知道系统不确定性的上界的限制,又消除了滑模变结构控制器抖振的缺点。针对快时标子系统,采用速度差值反馈控制律来抑制关节柔性引起的系统弹性振动,保证系统的稳定性。仿真时以平面两刚性臂、两柔性关节的漂浮基空间机器人系统为例证明了所提出方法的有效性。

漂浮基柔性空间机器人的鲁棒控制及振动抑制

讨论了漂浮基柔性空间机器人系统的动力学建模、运动控制算法设计以及关节、臂双重柔性振动的分级主动抑制问题.利用系统动量、动量矩守恒关系和拉格朗日-假设模态法对系统进行动力学分析,建立系统动力学方程.基于奇异摄动法,将系统分解为表示系统刚性运动部分的慢变子系统,表示由柔性臂引起的系统柔性运动部分的快变子系统1和表示由柔性关节引起的系统柔性运动部分的快变子系统2.针对慢变子系统提出一种鲁棒控制方法来补偿系统参数的不确定性和柔性关节引起的转动误差,实现系统期望运动轨迹的渐近跟踪:针对快变子系统1采用线性二次型最优控制器来抑制由柔性臂引起的系统柔性振动;针对快变子系统2设计了基于机械臂和电机转子的转角速度差值的反馈控制器来抑制由柔性关节引起的系统柔性振动.因此,系统的总控制律为以上3个子系统控制律的综合.最后通过仿真实验证明了所提出的混合控制方法的有效性.

漂浮基柔性关节-柔性臂空间机器人运动非线性滑模控制及双重弹性振动主动抑制

讨论了漂浮基柔性关节-柔性臂空间机器人系统的动力学建模过程、运动控制律设计及关节和臂双重弹性振动的抑制问题。利用动量、动量矩守恒关系和拉格朗日-假设模态法对系统进行动力学分析,并建立系统动力学方程。基于奇异摄动法,将系统分解为三个相互独立的子系统:仅表示系统刚性运动的"刚性关节-刚性臂"慢变子系统、仅表示柔性关节引起的系统弹性振动的"柔性关节-刚性臂"快变子系统和仅表示柔性臂引起的系统弹性振动的"刚性关节-柔性臂"快变子系统。分别针对三个子系统设计适当的控制律,其中非线性滑模控制方法用来实现空间机器人期望运动轨迹的渐近跟踪,速度差值反馈控制器用来抑制柔性关节引起的系统弹性振动,线性二次型最优控制器用来抑制柔性臂引起的系统弹性振动。因此,系统的总控制律为三个子系统的控制律组成的混合控制律。仿真实验证明所提出的混合控制律能够保证系统的控制精度,且能够有效地抑制柔性关节和柔性臂引起的系统弹性振动。

具有未知参数漂浮基双臂空间机器人惯性空间复合自适应控制

讨论了载体位置与姿态均不受控制情况下具有未知参数的漂浮基双臂空间机器人系统惯性空间的复合自适应控制问题。为了克服空间机器人系统控制方程关于惯性参数的非线性性质,空间机器人被表示为欠驱动形式的机器人系统,其优点在于保持了系统动力学方程关于惯性参数的线性性质。对系统的运动学分析表明,联系两个机械臂末端运动速度与机器人关节角速度的增广广义Jacobi关系亦可以表示为一组惯性参数的线性函数。以此为基础,针对系统参数不确定的情况,设计了空间机器人系统跟踪惯性空间期望运动轨迹的复合自适应控制方案。系统的数值仿真证实了控制方法的有效性。

漂浮基双臂空间机器人基于自适应遗传算法的最优非完整运动规划

讨论了漂浮基双臂空间机器人非完整运动的最优控制规划问题。以多体动力学理论为基础,导出了载体位置、姿态均不受控制情况下,双臂空间机器人耦合了系统动量守恒关系的系统动量矩守恒关系,并将其转化为控制系统状态方程。由此,将双臂空间机器人的非完整运动规划问题转化为非线性系统的控制问题。以此为基础,利用近似优化的方法,给出了双臂空间机器人基于自适应遗传算法的最优非完整运动规划控制算法。其优点在于,仅需要控制双臂空间机器人机械臂的关节运动,即可达到对载体姿态及机械臂关节位置的双重控制效果。一个平面双臂空间机器人系统的数值仿真,验证了算法的有效性。

漂浮基双臂空间机器人惯性空间轨迹跟踪的拟增广自适应控制

讨论了载体位置、姿态均不受控制的漂浮基双臂空间机器人系统的自适应控制问题。为了克服空间机器人系统动量及动量矩守恒关系的引入,使得系统动力学方程关于系统惯性参数呈非线性关系,给控制系统设计带来的困难,漂浮基双臂空间机器人系统的动力学方程被表示为欠驱动形式。其优点在于,相应的控制系统状态方程保持了惯常的关于系统惯性参数的线性性质。以此为基础,并借助于增广变量法,通过恰当地虚拟扩展系统的控制输入与输出,成功地克服了漂浮基双臂空间机器人系统自适应控制方案设计的难点,针对双臂空间机器人两个末端抓手持有载荷参数均未知的情况,设计了漂浮基双臂空间机器人两个末端抓手惯性空间轨迹跟踪的拟增广自适应控制方案。通过系统数值仿真,证实了上述控制方法的有效性。

漂浮基柔性关节空间机器人自适应滑模运动控制及振动主动抑制

讨论了关节柔性且系统参数不确定的漂浮基空间机器人系统的动力学建模过程、运动轨迹跟踪控制算法设计及系统柔性振动的主动抑制问题。利用系统动量、动量矩守恒关系和拉格朗日法对系统动力学进行分析,并建立系统动力学方程。基于奇异摄动法将系统分解为表示系统刚性运动部分的慢变子系统和表示系统柔性运动部分的快变子系统。针对慢变子系统提出了一种自适应滑模控制算法。该控制算法是由基于滑模面的等效控制项、自适应控制项和PID反馈控制项组成。因此,它集合了滑模控制、自适应算法和PID技术的优点,且弥补了三种算法各自的缺点。该控制算法能够有效地补偿系统的转动误差和不确定参数,提高控制系统的精度。针对快变子系统,提出基于速度差值的反馈控制算法来抑制柔性关节引起的系统柔性振动,保证系统的稳定性。最后,通过仿真实验证明了提出的混合控制算法的有效性。

漂浮基双臂空间机器人姿态与末端抓手惯性空间轨迹协调运动的模糊滑模控制

本文讨论了载体姿态受控、位置不受控制的双臂空间机器人系统的控制问题。利用拉格朗日方法并结合系统动量守恒关系,建立了双臂空间机器人系统的非线性系统动力学模型。以此为基础,考虑到空间机器人系统结构的复杂性及其某些参数的变动性,根据具有较强鲁棒性的变结构控制理论,设计了双臂空间机器人载体姿态与两机械臂末端抓手惯性空间轨迹协调运动的滑模变结构控制方案。为了克服滑模变结构控制器抖振的缺点,附加设计了一个模糊控制器,以便根据系统的输出来动态调节滑模变结构控制器等速趋近率的系数,从而既确保了系统的快速响应而又消除了原有的抖振。系统数值仿真,证明了上述控制方案良好的控制效果。

漂浮基空间机器人捕获卫星过程冲击动力学建模及基于非线性滤波器的镇定运动控制

研究了空间机器人系统捕获目标卫星时发生碰撞的冲击效应及之后的稳定控制问题。首先利用拉格朗日第二类方程建立了空间机器人系统的动力学模型,目标物的动力学方程则通过牛顿欧拉法获得。其次利用运动几何关系及动量守恒原理,分析了碰撞冲击对系统的影响。对于两者接触后形成失稳的联合体系统,设计了输出反馈控制方案,以完成稳定控制。同时,考虑到空间机器人输入力矩有限的条件,运用带饱和函数的控制率将控制力矩限制在一定范围内。该方案利用非线性滤波器估测机械臂关节的速度,使其在控制过程中仅需测量系统位置信息。最后,通过李雅普诺夫判据证明了系统的稳定性。数值仿真实验模拟了碰撞冲击效应,并验证了上述控制方案的有效性。

漂浮基空间机器人自适应RBF网络终端滑模控制

主要研究漂浮基空间机器人对工作空间连续轨迹跟踪控制问题.针对系统动力学模型中非线性项未知,以及参数不确定性和外界扰动无法估计的情况,提出了基于自适应RBF网络终端滑模控制方法.该方法结合了非线性滑动流形与径向基函数特性,利用自适应RBF网络在线学习系统中的不确定性,使得无需精确的动力学模型亦能保证系统在有限时间内快速稳定.根据Lyapunov方法设计的自适应增益保证闭环控制系统具有全局稳定性,并且有效抑制抖振现象.针对6关节空间机器人的轨迹跟踪控制仿真表明,提出的自适应RBF网络终端滑模控制方法能够基于不完整动力学模型实现高精度轨迹跟踪,且误差在有限时间内快速收敛,系统抖振也得到了有效抑制.