双柔性梁振动激光视觉测量与自适应协同控制

双柔性梁耦合结构常用于航天领域，如太阳翼伸展结构、太阳能电池阵等。针对双柔性耦合梁系统振动非接触测量和控制问题，构建了基于点激光结构光视觉系统的测控实验平台，进行了点激光视觉振动测量研究和振动控制算法设计。对点激光视觉系统进行标定，通过图像处理结合几何方法提取了柔性梁的振动信号。建立了系统动力学模型，采用小波变换和优化方法辨识状态空间方程参数。设计了直接自适应模糊协同控制器（Direct Adaptive Fuzzy Cooperative Controller, DAFC）进行双柔性梁系统的振动主动控制，采用羚羊优化算法基于辨识模型优化控制器参数。在双柔性耦合梁系统固定和平移运动两种情况下，进行了振动视觉检测和控制实验研究。实验结果表明：所设计的点激光视觉传感器有较好的振动测量精度，DAFC控制器相比于PD控制器有更好的控制效果，可以更加快速地抑制双柔性耦合梁的振动。     

柔性铰接板振动视觉测量与小波神经网络控制

为了解决航天器上用于供能的太阳帆板类柔性薄板结构的振动问题,针对一种移动柔性铰接板系统构建了双目视觉系统的振动测控实验平台,采用双目立体视觉方法来检测振动,并设计了自回归小波神经网络控制器（Self-Recurrent Wavelet Neural Network Controller, SRWNNC）来抑制振动。对双目视觉系统进行了标定,基于视差原理和图像处理算法,通过解算标志点的三维坐标来获取振动信号。建立了系统的有限元模型,并通过辨识得到校正后的系统模型参数。基于辨识得到的模型在仿真环境中训练SRWNNC,用于实验系统的振动主动控制。分别针对移动柔性铰接板系统固定基座和平移轨迹运动两种情况,进行了双目视觉振动检测和振动控制仿真和实验研究。仿真和实验结果表明,双目视觉传感器对振动信号的检测精度小于0.1 mm,SRWNNC也展现出比大增益PD控制器更好的抑振效果,验证了双目视觉振动检测和SRWNNC抑制振动的准确性和有效性。     

柔性机械臂振动控制系统的实验研究

本文为避开柔性机械臂传统建模的繁锁性及精确性的要求，研究柔性机械臂振动的控制规律，对并置式ＰＩＤ控制的柔性机械臂进行了系统的实验研究，包括电机轴驱动力矩和梁末端加速度响应的检测，调整系统的控制增益或运动参数，可实现柔性机械臂振动的有效抑制，通过一系列的实验研究，揭示了柔性臂振动控制规律－力相位制律，为柔性机械臂振动控制及其控制器的设计指明了方向，本实验研究亦可验证理论模型。     

机器人柔性视觉测量系统标定方法的改进

提出一种改进的柔性视觉测量系统标定方法。建立了包含手眼关系误差与机器人运动学参数误差的系统误差模型。在机器人末端安装结构光传感器构建了机器人柔性视觉测量系统,并在机器人工作空间中固定一个标准球作为标定参考物。标定时,机器人被控制在不同位姿下测量球心坐标。首先,应用机器人的理论模型初步标定手眼关系;然后,基于球心约束,通过迭代算法同时得到准确的手眼关系和实际的机器人运动学参数。基于ABB IRB2400工业机器人进行了系统标定实验,并利用激光跟踪仪进行精度验证。结果表明:标定前后机器人柔性视觉测量系统的距离测量标准差由0.566mm降低到0.173mm,充分验证了改进方法的有效性和实用性。该方法提高了手眼关系的精度;不需要采用任何昂贵的外部设备,适合工业现场使用。     

单连杆柔性机械臂的滑模振动控制

基于Lagrange方程和假设模态法,推导出单连杆柔性机械臂的动力学模型,应用微分几何输出重定义的方法,将电动机转角和振动模态变量的线性组合作为柔性机械臂系统的控制输出量,使柔性机械臂系统在平衡点附近转变为易于控制的最小相位系统。设计了一种滑模控制器,实现了柔性机械臂的振动抑制,仿真试验结果表明了该方法的有效性。     

关节驱动柔性臂非最小相位系统的全局终端滑模控制

研究关节驱动柔性臂这一非最小相位系统的点对点定位与振动抑制问题。基于闭环动力学原理,将伺服反馈约束理论与Rayleigh-Ritz法相结合,建立耦合关节控制器动力特性的柔性臂振动偏微分方程,由此证明柔性臂实现点对点定位的同时进行振动抑制的可行性。采用微分几何输入/输出线性化方法重新定义观测输出,在新坐标系下将原系统分解为输入/输出子系统和内部子系统,并导出零动力学方程。设计一种全局终端滑模控制器,不仅使输入/输出子系统在有限时间内快速收敛至零,而且避免了常规滑模控制的抖振问题,利用极点配置法设计零动态子系统的控制器参数使整个系统Lyapunov稳定,通过数值仿真验证了所设计控制策略的有效性。设计并建立试验平台,试验结果表明仅以关节处的驱动电机为作动器可同时实现柔性臂系统的点对点定位与快速振动抑制。     

双柔性臂机器人的建模和主动振动控制

针对双柔性臂机器人在操作过程中出现的结构振动和残余振动影响控制精度的问题,提出了采用多组压电换能器对柔性臂进行主动振动的控制方法.设计了基于超声电机驱动的双柔性臂机器人,采用拉格朗日法和假设模态法对双柔性臂进行了动力学建模,并考虑了在协作搬运过程中双柔性臂机器人需要满足的闭链约束条件.提出了采用独立关节PD反馈控制器和正位置反馈控制器相结合的混合控制方法.Matlab仿真表明,所提出的混合控制器能使柔性机器人在准确完成目标物体轨迹运动的同时,实现对柔性臂的振动抑制,提高了双柔性臂机器人的搬运精度和效率.     

液压柔性机械臂奇异摄动法控制

将液压柔性机械臂系统分为相互耦合的两个部分，即柔性机械臂和液压伺服驱动系统，并通过一个驱动Jacobian矩阵构建其耦合关系。将作用于机械臂上的力视为一虚拟输入，运用奇异摄动法将柔性机械臂的模型分解为快慢两个子系统，其中慢变子系统控制器完成对期望轨迹的跟踪，而快变子系统控制器抑制柔性臂的振动。在此基础上，采用反演控制设计方法，得到液压伺服阀的位移控制律，使液压油缸的实际输出力完全满足柔性臂所需要的驱动力。数字仿真的结果验证了设计控制器的正确性和有效性。     

热轧圆钢截面轮廓及直径结构光在线检测系统

基于激光视觉三维测量原理,采用四个结构光传感器设计了一套热轧圆钢截面轮廓及直径结构光在线检测系统.提出了一种现场快速统一标定方法,并设计了相应的新型立体标定靶标.提出了一种对截面轮廓三维数据进行筛选和融合的数据处理方法,得到圆钢截面较理想三维坐标,从不同方位采用平行线相夹法测量圆钢截面直径.进行了系统标定实验和测量实验,实验结果证明系统在一定测量范围内能实时获取圆钢截面轮廓,直径测量精度在0.2mm以上.     

漂浮基柔性空间机械臂基于奇异摄动法的模糊控制和柔性振动主动控制

讨论在载体位置不受控、姿态受控情况下,自由漂浮柔性空间机械臂载体姿态与关节轨迹跟踪的模糊控制及柔性振动主动控制问题。利用拉格朗日假设模态法并结合系统动量守恒关系,建立柔性空间机械臂系统的动力学方程。以此为基础,使用奇异摄动法和两种时间尺度的假设,将系统分解为轨迹跟踪控制和振动控制可分开设计的奇异摄动系统。对于快变子系统,设计PD控制器来对柔性杆件的振动进行主动抑制;同时,设计解耦的模糊逻辑控制器来保证慢变子系统载体姿态及关节轨迹的跟踪。由于在系统动力学方程的推导中消去柔性空间机械臂载体位置项,该模糊控制器还同时具有不需要测量反馈载体位置、移动速度、移动加速度项的优点。最后的数值仿真结果证实了所设计控制器的有效性。     

双连杆柔性机械臂振动主动控制与实验

为了对柔性机械臂在外部扰动或工作时产生的振动进行快速抑振,设计并搭建出一套刚柔耦合机械臂实验平台,大臂为刚性臂,小臂为柔性臂。首先,采用粘贴在柔性臂根部的压电陶瓷片测得的振动信号作为反馈信号,伺服电机用作驱动器带动减速器驱动机械臂;其次,对柔性臂由于外部激励产生的振动,分别设计了基于输入整形技术(input shaping technology,简称IST)的前馈控制器和基于广义最小方差自校正控制(generalized minimum variance self-tuning controller,简称GMVSTC)的控制算法,对柔性臂振动进行主动控制实验研究;最后,为了验证控制算法的效果,对采用常规比例微分(proportion differentiation,简称PD)控制实验进行对比。实验结果表明,输入整形和自校正控制算法可大幅减少柔性臂振动的时间,均可对柔性臂的振动进行快速抑振。     

面向大型工件现场测量的光笔式视觉测量系统

研制了一种面向大型工件现场测量的光笔式视觉测量系统,对其中的关键技术进行了深入研究。该系统主要由带有红外LED光点的光笔、1台CCD摄像机、靶点亮度控制器、一维标定尺以及安装有测量软件的计算机组成。在对LED点光源光强控制方式及成像系统工作原理进行分析的基础上,设计并实现了以多靶点亮度自适应控制技术和主动离焦模糊技术相结合的靶点光斑图像生成技术。该技术保证了在大跨度测量范围内均能获得高质量的靶点光斑图像,解决了对焦成像中摄像机视场范围与景深有限的问题;针对光笔标定问题,提出了一种简便易行的现场标定方法,此方法只需要若干个辅助靶点和2个以上间距已知的圆锥孔,就可以同时确定光笔上各靶点及光笔测头在光笔坐标系下的坐标。实验结果显示:该测量系统在2~10 m空间长度测量标准差不大于0.095 mm,能够满足中等精度的大型工件现场测量要求。     

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。     

控制力矩受限情况下漂浮基柔性空间机械臂鲁棒自适应控制

讨论控制力矩受限情况下,参数不确定的漂浮基柔性空间机械臂系统的智能控制问题。结合系统动量守恒关系和拉格朗日-假设模态法建立系统动力学方程。为了同时实现漂浮基柔性空间机械臂系统载体姿态和关节运动轨迹的渐近跟踪以及系统弹性振动的抑制,基于奇异摄动法将系统分解为快变和慢变两个子系统。针对快变子系统设计二次最优控制方法以抑制柔性臂引起的系统弹性振动,保证系统的稳定性;针对慢变子系统提出一种鲁棒自适应混合控制方法。该方法利用连续可导递增函数来限制控制力矩的幅值大小,使控制更符合空间实际要求;利用鲁棒自适应调节器来克服系统不确定参数的影响,保证系统的控制精度。计算机仿真结果证明了所提出方法的有效性。     

基于趋近律离散滑模控制的柔性梁振动抑制

研究了基于趋近律的离散滑模控制在智能柔性悬臂梁振动控制中的应用.以压电陶瓷为作动器,电阻应变片为传感器,采用有限元方法和模态截断技术建立结构动力学模型.由于柔性结构系统受到不确定外部扰动和量测噪声的影响以及参数的不确定性,滑模变结构控制可以实现滑动模态与系统的外干扰和参数摄动无关,即滑动模态的不变性.结构振动控制在系统状态由于外部干扰的影响偏离平衡状态,在控制器作用下能使系统趋于零状态.采用趋近律离散滑模控制方法设计状态调节器.由于状态量不能直接测量,故利用离散卡尔曼滤波技术构造状态估计器.采用试验模态测试方法得到结构的前4阶固有频率和阻尼比,与有限元方法的结果比较,说明该模型的正确性.使用dSPACE实时仿真系统和MATLAB/Simulink搭建控制系统,进行了振动主动控制试验.试验结果表明,所设计的控制器能有效抑制结构的振动响应.     

一种新型两自由度柔性并联机械手的主动振动控制及其仿真

针对一种新型两自由度柔性并联机械手,在含有压电元件的有限元模型基础上,基于模态理论和滑模变结构理论,研究其振动主动控制问题。采用有限元法和模态理论建立系统的动力学模型。根据系统的性能要求,采用最优化方法确定滑移面,基于Lyapunov直接法设计滑模控制器。控制器能对系统的前几阶模态实施控制,实现机械手的振动主动控制。仿真结果表明,该控制器可有效地抑制柔性构件产生的弹性振动,减小并联机械手动平台的位置误差,从而验证了该控制器的可行性和有效性。     

宽厚板板形测量系统与标定方法研究

针对当前宽厚板板形在线智能化检测的需求,设计一种单激光器多相机的宽厚板板形测量系统,提出一种基于唯一激光平面的多相机坐标系姿态校准标定方法。板形测量系统由分别位于宽厚板矫正机前后的两个相同的子系统组成,子系统采用多相机测量视野拼接的方式,实现宽厚板板形的检测;利用相邻相机公共视野中同一姿态标定板世界坐标系的唯一性,将多个相机的坐标系映射在基准坐标系下,根据实际激光平面的唯一性将多个相机坐标系统一为同一姿态,并通过统一坐标后相邻相机点云数据的位置关系,实现多相机测量数据的快速拼接,完成多相机结构光测量系统坐标系的标定。试验结果表明,该方法准确有效,为大视场结构光三维测量提供了一种有效的测量标定方法。     

基于双目视觉的振动测量及控制

针对柔性板的低频振动问题,研究了一种基于双目视觉测量其低频振动和反馈的控制方法。采用视觉传感器采集柔性板振动过程中的图像序列,通过图像处理的方法分析图像序列,从而得到柔性板的振动信息。以此信息作为控制反馈信号,采用最小控制合成算法(minimal control synthesis,简称MCS)抑制柔性板的振动。在相同的条件下,比较MCS算法和比例微分(proportion differentiation,简称PD)算法的控制效果。实验结果验证了基于双目视觉测量和MCS算法的可行性,且MCS算法的控制效果要优于PD算法。     

Model validation and controller design for vibration suppression of flexible rotor using AMB

This paper discusses the model validation and vibration suppression of an AMB flexible rotor via additional LQG controller. The main difficulty in the vibration suppression of the flexible rotor using AMB is to realize a controller that can minimize resonance without injuring the stabilized rigid modes. In order to solve this problem, simple scheme for system modeling and controller design are developed. Firstly, the AMB flexible rotor is stabilized with a PID controller, which leads to a new stable rotor-bearing system. Then, authors propose the model validation procedure using measured open-loop frequency responses to obtain an accurate model of the AMB flexible rotor system. After that, LQG controller with modal weighting is designed to suppress resonances of the stable rotor-bearing system. Due to the poor controllability and observability of flexible modes compared to rigid ones, balancing of two Gramians is prerequisite for the fair LQG controller design. Simulation with step disturbance and experimental results of unbalance response up to 10,000 rpm verified the effectiveness of the proposed scheme.