双连杆刚柔机械臂无残余振动位置控制

针对双连杆刚柔机械臂,提出一种基于轨迹规划的无残余振动位置控制方法,在将机械臂的末端执行器从任意初始位置移动到目标位置的同时,确保系统没有残余振动产生.首先,建立系统的动力学模型,并通过分析该模型得到系统的状态约束方程.其次,基于状态约束方程,运用双向轨迹规划方法规划一条系统前向轨迹和一条系统反向轨迹.然后,利用时间倒转方法及基于遗传算法的轨迹优化方法对两条轨迹进行拼合,得到一条从系统初始状态到目标状态的期望轨迹.最后,设计轨迹跟踪控制器使系统沿期望轨迹到达目标状态,实现系统的无残余振动位置控制目标.仿真结果验证了本文所提方法的有效性.     

垂直三连杆欠驱动机械臂通用控制策略设计

本文针对一类含单一欠驱动关节的垂直三连杆欠驱动机械臂提出一种基于振荡衰减轨迹的通用控制策略. 与传统的分区控制策略相比, 本文控制策略无需采用分区方式就能快速地实现将机械臂末端点由垂直向下初始位 置开始移动, 并最终稳定在垂直向上目标位置的控制目标. 首先, 根据驱动连杆的初始和目标状态, 为驱动连杆规划 含可调参数的振荡衰减轨迹. 该轨迹能够在一定调节时间内将驱动连杆直接由初始状态移动至目标状态. 基于连 杆状态间的耦合关系, 利用粒子群优化算法优化轨迹参数使欠驱动连杆在相同调节时间内也运动至目标状态. 接 着, 利用滑模方法设计跟踪控制器使驱动连杆跟踪优化后的振荡衰减轨迹, 这样, 系统末端点将由初始位置移动至 目标位置. 进一步利用极点配置方法设计镇定控制器克服重力的作用将末端点稳定在目标位置. 最后, 通过仿真实 验验证所提控制策略的有效性.     

基于轨迹规划的平面三连杆欠驱动机械臂位置控制

针对中间关节为欠驱动的二阶非完整平面三连杆机械臂,提出一种基于轨迹规划的末端点位置控制策略.首先,建立系统的动力学模型,并根据几何关系利用差分进化算法求取所有连杆与目标位置相对应的目标角度;然后,根据驱动关节与欠驱动关节的耦合关系,采用时间缩放法和双向法分别规划两根驱动连杆的两条轨迹,并利用遗传算法优化合适的第1连杆中间位置,将两条轨迹拼接成一条完整可达轨迹;最后,设计滑模变结构控制器以跟踪完整可达轨迹,实现系统从初始位置到目标位置的控制目标.数值仿真结果表明了所提出控制策略的有效性.     

基于倒转方法的欠驱动 Acrobot 系统稳定控制

针对欠驱动两杆体操机器人Acrobot, 提出一种新的稳定控制方法.首先,通过利用一个虚拟摩擦力矩为Acrobot 构造一条下摆轨迹;然后,运用倒转的思想为它设计出一条由垂直向下位置到垂直向上位置的期望运动轨迹, 并以此将系统的稳定控制问题转化为跟踪控制问题;最后, 基于最优控制理论来设计跟踪控制器,使Acrobot 能够沿期望轨迹渐近稳定在垂直向上位置处. 仿真结果验证了所提方法的有效性.     

接触作业型飞行机械臂系统的力/位置混合控制

针对飞行机械臂系统移动接触作业问题,使用了一个力/位置混合控制框架,用以控制飞行器系统持续可靠地接触外部环境同时保持一定大小的接触力,并实现在接触过程中的期望轨迹跟踪.首先将作业空间分成2个子空间--约束空间和自由空间,并分别进行力控制和位置控制.对于力控制问题,证明闭环无人机系统是一个类弹簧-质量-阻尼系统,然后在约束子空间中设计逆动力学控制器来实现接触力控制.自由飞行空间中的运动控制依靠轨迹规划和位置控制器来实现.最后,开发了基于六旋翼飞行机器人的单自由度飞行机械臂系统,在飞行状态下进行接触墙面并跟踪倾斜直线轨迹的实验.结果显示本文所使用方法能够保证在平稳移动的同时控制期望的接触力.     

机器人的低通滤波滑模控制

滑模控制响应快,对系统参数和外部扰动呈不变性,可保证系统的渐进稳定性,但其缺点是控制存在很强的抖动。在一般滑模控制的基础上引入低通滤波器（LPF）,则保证了轨迹跟踪误差的快速收敛,同时使系统具有很强的鲁棒性。通过对两连杆机械手的仿真研究,表明在存在模型误差和外部扰动的情况下,该方案既能达到高精度快速跟踪的目的,又能消除滑模控制的抖动问题。     

基于“非伪”理论的非完整移动机器人轨迹跟踪控制

"非伪"控制是一种基于数据驱动的无模型控制方法,它根据输入-输出数据进行在线学习,计算与当前系统状态相匹配的控制量并作用于系统,以获得系统所要求的动静态品质,并以此检验系统是否满足该性能指标.基于"非伪"控制理论,研究了移动机器人的轨迹跟踪控制问题.根据非完整移动机器人的动态方程,采用"非伪"控制,直接作用于移动机器人的控制输入,使移动机器人能快速、准确地跟踪期望轨迹.     

液压挖掘机的轨迹跟踪控制与仿真

液压挖掘机在工程建设中应用广泛,为了提高其工作效率并能在危险环境下工作,必须实现挖掘自动化,其中挖掘机工作装置的跟踪轨迹是一个重要课题,如图1所示.挖掘机器人的控制系统由两部分组成:高层控制系统进行任务规划,低层控制系统根据高层控制器的指令进行挖掘轨迹的控制.对挖掘轨迹的控制实际上是对动臂、斗杆和铲斗三个杆件进行控制以跟踪规划好的期望轨迹,这里采用PID控制策略进行轨迹跟踪控制.     

基于智能优化算法的Pendubot轨迹规划与控制方法设计

以垂直Pendubot为研究对象,提出一种基于智能优化算法的轨迹规划与控制方法,以解决Pendubot控制过程中难以从摇起区过渡至平衡区的问题.为Pendubot的驱动连杆规划一条从初始角度到中间角度的正向轨迹和一条从中间角度到目标角度的反向轨迹.欠驱动连杆在系统耦合关系作用下进行运动,对应的Pendubot末端点也运动至相应位置.通过遗传算法优化轨迹参数,将正向和反向轨迹拼合为一条由初始角度到目标角度的驱动连杆轨迹的同时,对应的Pendubot末端点轨迹拼合为一条由垂直向下平衡位置到垂直向上平衡位置的完整轨迹,然后设计跟踪控制器跟踪优化后的驱动连杆轨迹至目标角度,由于耦合关系的存在,Pendubot末端点也运动至垂直向上平衡位置.由于Pendubot受重力作用,其末端点很难长时间稳定在垂直向上平衡位置,故设计镇定控制器,实现Pendubot末端点在垂直向上平衡位置的镇定控制.最后通过仿真实验验证所提出方法的有效性,并通过对比说明所提出方法在奇异点规避、控制器设计和控制效果方面的优势.     

基于宽度学习系统的气动波纹管驱动器无模型跟踪控制

针对一款具有波纹管外形的充气伸长型气动软体驱动器(简称“气动波纹管驱动器”),提出一种基于宽度学习系统的无模型跟踪控制方法,使该驱动器有效跟踪期望轨迹.首先,介绍气动波纹管驱动器结构,以及气动波纹管驱动器整体实验平台工作原理.根据驱动器实时位置信息提出一种基于宽度学习系统的跟踪控制方法,受PID跟踪控制方法中积分项作用的启发,所提出控制方法不仅采用系统跟踪误差作为宽度学习系统的输入之一,还将跟踪误差对时间的积分项作为另一输入以消除期望轨迹与实际轨迹间的恒定偏差.然后,采用宽度学习系统计算得到控制气压,同时,利用基于梯度下降法的学习律在线调整宽度学习系统权值,进而减小驱动器跟踪误差.最后,通过实验验证所提出方法的有效性.所提出方法无需建立驱动器模型,能够简化控制器设计步骤,且与深度神经网络控制方法相比,能在避免计算量过大的前提下实现较高的跟踪控制精度.     

Sliding Mode Rest-to-Rest Stabilization and Trajectory Tracking for a Discretized Flexible Joint Manipulator

In this article, a difference flatness approach is used for trajectory tracking tasks of an approximately (Euler) discretized model of a nonlinear, single link, flexible joint manipulator. The system's flat output is commanded to follow a prescribed trajectory achieving a desired angular position maneuver. A new robust discrete time feedback controller design technique, of the sliding mode type, is then proposed for the closed loop regulation of the link position around the prescribed trajectory. The effectiveness of the approach is illustrated by means of digital computer simulations in a rest-to-rest stabilization maneuver and in a sinusoidal reference trajectory tracking task.     

永磁同步电动机的平滑跟踪伺服控制及实现

针对永磁同步电动机位置伺服控制的最小时间响应和平滑轨迹跟踪问题,提出一种改进的二阶离散非线性平滑轨迹跟踪滤波器,该滤波器的输出适合于伺服系统的前馈控制.结合永磁同步电动机的(d,q)数学模型,采用线性控制实现电流闭环使机电运动系统等效为典型的二阶系统,利用非线性平滑轨迹跟踪滤波器为电流环提供前馈输入,并设计一个降阶的扰动观测器保证了系统具有较强的鲁棒性.利用DSP(TM S320LF2407A)实现算法并与传统的PID算法进行了比较,通过仿真和实验结果证明了所提方法的正确性和有效性.     

考虑车辆跟驰作用和通信时延的网联车辆队列轨迹跟踪控制

针对智能网联车辆轨迹跟踪问题, 本文通过考虑车辆跟驰作用和车车通信过程中存在的通信时延, 提出了一种分布式非线性轨迹跟踪控制器. 具体来讲, 首先, 提出一种双向领导跟随通信拓扑来描述智能网联环境下车辆间的通信连接. 其次, 考虑车辆跟驰作用和通信时延, 设计一种分布式非线性轨迹跟踪控制器. 然后, 使用Lyapunov方法证明了所设计控制器的稳定性. 最后, 考虑速度干扰作用于领导者车辆, 针对无时延、同质时延和异质时延等三种场景进行数值仿真实验. 仿真结果表明: 本文所设计的控制器不仅保证了车辆位置跟踪误差收敛到原点, 而且车辆运动规律符合交通流理论, 即无负位置跟踪误差和负速度现象.     

基于反步法的移动机器人鲁棒跟踪控制

以四轮移动机器人为研究对象,建立了机器人完整的数学模型,包括运动学模型、动力学模型以及驱动电机模型。在机器人数学模型的基础上,采用反步法的思想设计具有全局收敛特性的鲁棒轨迹跟踪控制器,设计中考虑了驱动电机模型使控制器更符合实际控制要求,并将其分解为运动学控制器、动力学控制器以及电机控制器三部分,降低了控制器设计的难度。构造了系统的李雅普诺夫函数,证明了该类型移动机器人在所得控制器作用下,能实现对给定轨迹的全局渐近追踪。仿真实验结果表明基于反步法的控制器是有效的。     

位置和速度受限的微型无人直升机轨迹跟踪控制器

针对微型无人直升机在狭窄空间中的轨迹跟踪问题,设计了一种可以限制直升机位置和速度的跟踪控制器.首先将直升机的模型简化为一个未建模的动态模型.基于简化模型利用受限反步法设计控制器,其中在位置控制回路用障碍李雅普诺夫函数代替传统的纯二次型李雅普诺夫函数,以此来限制直升机的位置和速度;用指令滤波器对反步过程中虚拟控制的导数进行估计,避免了复杂的解析计算.此外,将未建模动态和指令滤波器误差合并成有界扰动项,并设计了自适应算法对扰动的上界进行估计和补偿.稳定性分析证明了直升机的闭环跟踪误差最终一致有界,且位置和速度始终位于预设的限制集合中.仿真结果验证了该控制器的有效性.     

考虑状态约束与执行器饱和的水下机器人轨迹跟踪控制

针对执行器饱和、模型参数不确定以及海流干扰等因素影响下的水下机器人,提出一种考虑状态约束以及执行器饱和的轨迹跟踪控制器.首先,构建水下机器人水平面轨迹跟踪误差方程;然后,对载体模型参数不确定性产生的模型误差以及海流干扰,设计一个非线性观测器进行估计并用于对控制器进行扰动补偿;接着,引入执行器饱和补偿系统、二阶滤波器以及滤波器误差补偿系统,设计命令滤波反步滑模控制器来控制水下机器人的水平面轨迹跟踪;最后,严格验证命令滤波反步滑模控制器的稳定性并进行数值仿真,验证所提出控制器的有效性.     

Position and force tracking of a two‐manipulator system manipulating a flexible beam

This article discusses the issue of hybrid position and force control of a two‐manipulator system manipulating a flexible beam in trajectory tracking. Unlike our previous approach of set‐point position control in the trajectory tracking, the system coordinates are hard to be regulated to the desired states with nonzero tracking velocities under continuous feedback control. In this study, we design a hybrid position and force tracking controller while using saturation control to compensate for the effect of beam vibration dynamics on the tracking performance. All parameters and states used in the controller are readily available so that the proposed method is feasible to implement. Under the proposed controller, the tracking error asymptotically converges to a predetermined boundary. Simulation results demonstrate the validity of the proposed approach. © 2001 John Wiley & Sons, Inc.     

带扩展卡尔曼滤波的柔性关节机器人虚拟分解控制

针对柔性关节机器人在非完全状态反馈条件下的轨迹跟踪控制问题,本文提出一种基于虚拟分解控制(virtual decomposition control,VDC)理论和扩展卡尔曼滤波(extended Kalman filtering,EKF)观测的控制方法.首先,考虑模型参数的不确定性和外界扰动因素,分别设计刚性连杆子系统和柔性关节子系统的虚拟分解控制律.然后,为突破现有VDC方法依赖于全状态反馈测量的局限,设计一种基于EKF的间接状态观测器,实现了仅需电机侧位置和速度测量而不需连杆侧任何状态信息测量的闭环控制.此外,结合虚拟稳定和李雅普诺夫稳定理论给出了严格的系统稳定性证明.最后,实例对比仿真验证了所提出控制算法的有效性,且相比于基于传统拉格朗日整体动力学的典型算法,具有更优的轨迹跟踪性能.     

机器人自适应PID饱和输出反馈控制

针对机器人系统在仅有位置传感、驱动器饱和、存在建模不确定性及干扰等条件下的轨迹跟踪控制问题,提出了一种新的自适应PID控制方案。采用高精度滤波器估计机器人关节速度,采用带饱和函数的控制器限制输出力矩,采用自适应PID控制器补偿建模不确定性和干扰。通过Lyapunov直接法,证明系统的稳定性。最后以两关节机器人为例,给出仿真实验结果,验证了算法的有效性。     

基于参数不确定机械臂系统的自适应轨迹跟踪控制

针对机械臂系统惯性参数及运动学参数不能准确测量进而影响轨迹跟踪性能的问题,提出一种任务空间自适应轨迹跟踪控制方法,通过定义关节角速度参考误差,并将任务空间的轨迹跟踪误差及运动学参数误差反馈给控制器,以改善系统稳定性,设计电机参数传输矩阵及电机参数自适应率,以抵消电机发热引起参数漂移对跟踪性能影响,并给出了稳定性证明.实验结果表明,该方法能够较好地克服电机参数漂移对跟踪控制性能的影响.