基于状态空间的机械臂轨迹规划

提出一种基于状态空间的机械臂轨迹规划方法,定义并构造了机械臂系统的状态空间,根据内在机构约束与外部环境约束描述出系统状态的可达范围,并给出了任务的可实现条件.对于可实现任务,在状态空间能搜索到任务完成的最优解.如果任务无法完成,则修改系统配置或约束,在新的状态空间确定任务实现的转化条件,并对任务的设计与规划给予指导.研究了障碍约束下两连杆机械臂的点到点任务,实验结果验证了该方法的有效性.

     

自由漂浮空间机器人避奇异规划—跟踪算法

针对路径相关空间内自由漂浮空间机器人无法进行有效跟踪控制的问题,设计了一种避奇异轨迹规划—跟踪算法,用于完成路径相关空间机械臂末端轨迹跟踪控制的任务．首先,分析奇异条件并设定安全边界曲线,求解回避奇异的基座姿态角阈值,从而得到避奇异参考轨迹及初始状态值．接着,利用自由漂浮空间机器人非线性动力学模型具有状态依赖参数的类线性结构特点,基于状态依赖Riccati方程设计跟踪控制器对末端速度进行跟踪,保证闭环系统的局部渐近稳定性．所提方法克服了传统方法将工作空间约束在路径无关空间的缺点．仿真结果表明,该算法具有比比例微分（proportional derivative,PD）控制更高的跟踪精度．同时,在存在输入干扰的情况下仍然能够实现有效跟踪．     

绳驱超冗余空间柔性机械臂遥操作系统设计与实验研究

针对绳驱超冗余空间柔性机械臂的运动特点和在大范围工作空间快速运动、避障及狭小空间作业和触碰情况下精细操作等在轨遥操作任务需求,设计并研制了适应多种工况的基于手控器和虚拟现实（VR）手柄组合的遥操作人机交互系统。对狭小空间作业和避障等工况进行分析,提出了基于自由度动态组合和末端―臂形同步规划的遥操作方法。最后,完成了穿越卫星太阳帆板狭缝的典型实验,实验验证了遥操作系统的工程实用性,以及柔性机械臂遥操作运动规划方法的可行性。因此,配合使用多种人机交互方式组合的遥操作系统和相应的运动规划方法,可使操作者以更加直观自然的方式参与到遥操作系统中,有效提高操作员完成复杂遥操作任务的安全性和操作性能。     

关节锁定空间机械臂负载操作能力评估与轨迹规划

为了使单关节锁定空间机械臂继续执行负载任务,提出关节锁定空间机械臂负载操作能力评估方法及轨迹规划策略.首先,将动态负载能力分析方法与蒙特卡洛法相结合建立动态负载能力容错工作空间,该空间可以直观反映关节锁定空间机械臂负载操作能力及可达性;然后,栅格化该空间,并在代价函数中加入负载能力项以改进A*算法进行搜索轨迹;最后,通过仿真验证关节锁定空间机械臂负载能力评估及轨迹规划方法的正确性,所得轨迹平均带载能力比任务要求高42.5%.     

不同重力环境的空间机械臂自抗扰轨迹跟踪控制

针对空间机械臂在地面装调与空间应用时,由于重力环境变化导致机械臂模型发生变化的问题,提出了一种自抗扰控制算法,用于完成空间机械臂轨迹跟踪控制的任务.该算法通过将系统模型及未知外扰作为系统的总和扰动,并利用扩张状态观测器对该扰动进行观测且给予补偿,从而提高了系统抗扰的性能.当机械臂模型随重力环境变化而发生变化时,使用同一个自抗扰控制器对其末端轨迹进行控制,均能取得较好的控制效果.通过对系统的稳定性进行分析,证明了所设计控制器的有效性.将仿真结果与PD控制及自适应鲁棒控制做比较,结果表明该控制算法不仅能适应机械臂模型的变化而且还能有效抵抗系统的扰动,从而使系统具有较强的鲁棒性.     

基于OSG的空间机械臂三维仿真平台的设计与实现

为了实现空间机械臂路径规划算法的可视化仿真,采用OSG技术,开发了一个实用方便的空间机械臂三维仿真平台;该仿真平台在VS2005开发平台上,基于QT框架类和OSG的图形库进行开发,将仿真平台系统框架分为了OSG仿真界面,任务管理,数据管理和路径规划四个模块并设计了人机交互界面;最后,通过典型的仿真实验对仿真平台进行了测试,有效地验证了空间机械臂单臂路径规划算法和双臂协调路径规划算法的正确性以及空间机械臂三维仿真平台的可行性。     

空间机器人抓捕目标后基于任务相容性的消旋策略

针对双臂空间机器人抓捕自旋目标后的镇定操作,在考虑机器人系统输入约束的条件下,提出了一种基于任务相容性的消旋规划与控制方法。首先,给出空间机器人抓捕目标后的组合系统的动力学模型,作为规划与控制的基础。然后,根据动力学可操作度和任务相容性设计了目标的快速消旋策略,其期望加速度的方向和大小分别取作速度的反方向和机器人系统输入约束允许的最大值。最后,基于所推导的运动学和动力学模型,通过对目标和机械臂末端分别建立柔顺度等式,提出了一种跟踪期望运动轨迹同时对末端接触力进行调节的柔顺控制方法。通过双臂7自由度空间机器人消除目标自旋运动的仿真结果,验证了所提方法的有效性。     

基于PSO的空间机械臂轨迹规划技术研究

研究机器人的机械臂轨迹优化问题,空间机器人系统的机械臂和基座之间存在动力学耦合,基座姿态稳定性容易受到机械臂运动的反作用干扰.为了使空间机器人系统的姿态稳定性不受的影响,提出了一种基于PSO(粒子群优化算法)的参数化5-3-5轨迹规划方法.利用PSO的优化能力找到合适的参数组合,进行关节空间轨迹规划.通过对比实验,运用动力学仿真对方法的有效性进行了验证.仿真结果表明,方法规划出的轨迹运动光滑,且按段轨迹运动机械臂对基座姿态的扰动符合预期要求,证明规划轨迹的有效性.     

地面和空间机械臂的动力学等效条件与控制相似律

针对如何在地面机械臂上有效验证空间机械臂控制律的问题,本文研究空间机械臂和地面机械臂系统间的动力学等效条件和控制相似律.首先,基于量纲分析研究地面机械臂和空间机械臂之间的动力学等效条件,并基于等效条件设计地面机械臂系统.其次,基于量纲分析建立空间和地面机械臂系统间的控制相似律,设计的空间机械臂控制律通过控制相似律将可以转化为地面机械臂相应的控制律.最后,考虑地面机械臂基座往往无法和空间机械臂的基座航天器一样进行全6自由度运动,以及地面机械臂运动时受到重力影响,使得地面机械臂不再满足动力学等效条件,基于反馈线性化技术设计一种地面机械臂的动力学误差补偿策略,使得地面机械臂和空间机械臂具有相似的闭环动力学行为.这样,空间机械臂的控制律可以在设计的地面机械臂上进行验证,仿真中以在地面机械臂上验证空间机械臂的PID控制器为例说明所提方法的有效性.     

考虑重力影响的空间机械臂轨迹跟踪滑模控制

针对空间机械臂由地面装调到空间应用过程中重力环境发生变化的问题,使用滑模控制器对空间机械臂进行控制,通过将配置特殊的非线性结构-fal函数引入趋近律的设计中,提出一种新的基于趋近律的滑模控制方法,并基于李亚普诺夫理论证明了闭环系统的渐近稳定性。仿真结果表明该方法能够很好地完成不同重力环境下机械臂的轨迹跟踪控制任务,并具有较强的鲁棒性。     

自由漂浮空间机器人轨迹跟踪的模型预测控制

针对传统控制方法难以解决自由漂浮空间机器人(free-floating space robot, FFSR)轨迹跟踪过程中的各类约束的问题,采用模型预测控制对自由漂浮空间机器人的轨迹跟踪问题进行了研究.在自由漂浮空间机器人拉格朗日动力学模型的基础上,建立了系统伪线性化的扩展状态空间模型;在给定系统的性能指标和各类约束的情况下,基于拉盖尔模型设计相应的离散模型预测控制器,并证明控制器的稳定性,控制器中引入任务空间滑模变量实现了对末端期望位置和期望速度的同时跟踪;以平面二杆自由漂浮空间机器人为例,对无约束末端轨迹跟踪和有约束末端轨迹跟踪两种情况进行对比仿真验证.仿真结果表明,该模型预测控制器不仅可以实现对末端期望轨迹的有效跟踪,还能满足各类约束.     

Structural state space sensitivity in linear systems

The concept of transformation independent noise is introduced to define a general class of structurally insensitive state space realizations of a given transfer function. A performance measure is minimized subject first to only an t₂-scaling constraint on the norm of each state node. This constraint normalizes the contribution of each state in the performance measure. Later additional constraints are imposed on the class of allowable state space structures. One constraint requires a covariance decoupled structure while another imposes a constraint on the Markov parameters of a partitioned substructure.     

Task-level approaches for the control of constrained multibody systems

This paper presents a task-level control methodology for the general class of holonomically constrained multibody systems. As a point of departure, the general formulation of constrained dynamical systems is reviewed with respect to multiplier and minimization approaches. Subsequently, the operational space framework is considered and the underlying symmetry between constrained dynamics and operational space control is discussed. Motivated by this symmetry, approaches for constrained task-level control are presented which cast the general formulation of constrained multibody systems into a task space setting using the operational space framework. This provides a means of exploiting task-level control structures, native to operational space control, within the context of constrained systems. This allows us to naturally synthesize dynamic compensation for a multibody system, that properly accounts for the system constraints while performing a control task. A set of examples illustrate this control implementation. Additionally, the inclusion of flexible bodies in this approach is addressed.     

State representations of linear systems with output constraints

We derive state space representations for linear systems that are described by input/state/output equations and that are subjected to a number of constant linear constraints on the outputs. In the case of a general linear system, the state representation of the constrained system is shown to be essentially nonunique. For linear Hamiltonian systems satisfying a nondegeneracy condition, there is a natural and unique choice of the representation which preserves the Hamiltonian structure. In the linear systems setting we give an algebraic proof that a system withn degrees of freedom underk constraints becomes a system withn−k degree of freedom. Similar results are obtained for linear gradient systems.     

基于时序关系的系统失效可达图生成方法

针对状态事件故障树生成系统可达图过程中存在的状态空间爆炸问题,提出了一种基于时序关系的系统失效可达图生成方法。通过分析触发和被触发类型事件的时序关系,对存在时序关系的事件进行排序,根据时序关系获得系统构件间的所有不可同时到达状态对,对构件间的可同时到达状态建立笛卡尔积,获得系统的所有可同时到达状态对,根据连接表和最小割集获得系统失效的状态可达图,从而有效解决系统失效可达图生成过程中存在的状态空间爆炸问题。应用基于时序关系的系统失效可达图方法生成鱼攻系统失效可达图,实验结果 验证了该方法的可行性与稳定性; 同时也为表明其能有效地缓解状态空间爆炸问题,为状态事件故障树生成系统可达图提供了一种新的方法。     

State space least p-power filter

As a new addition to the recursive least squares (RLS) family filters, the state space recursive least squares (SSRLS) filter can achieve desirable performance by conquering some limitations of the standard RLS filter. However, when the system is contaminated by some non-Gaussian noises, the performance of SSRLS will get worse. The main reason for this is that the SSRLS is developed under the well-known minimum mean square error (MMSE) criterion, which is not very suitable for non-Gaussian situations. To address this issue, in this paper, we propose a new state space based linear filter, called the state space least p-power (SSLP) filter, which is derived under the least mean p-power error (LMP) criterion instead of the MMSE. With a proper p value, the SSLP can outperform the SSRLS substantially especially in non-Gaussian noises. Two illustrative examples are presented to show the satisfactory results of the new algorithm.     

基于串空间和状态转换的认证协议分析方法

串空间是一种新兴的安全协议形式化分析模型。串空间模型中的理论证明方法虽然严谨，但难度很大。本文基于串空间模型，首先定义系统状态，并以Needham-Schroeder-Lowe公钥认证协议为例说明系统状态转换的分析过程。通过对状态转换过程中现实的跟踪考察，得出了有意义的结论。结合串空间模型，验证了该认证协议的安全性。这种分析认证协议的新方法简洁和高效，并易于实现自动化。     

一种直流PWM控制系统的设计

介绍了一种基于TMS320LF2407A的高性能直流PWM控制系统。系统采用状态空间理论进行设计，实现了输出的无差调节；基于DSP的PWM信号软件生成及其它接口的高度集成，简化了系统硬件电路的设计，降低了由电磁干扰引起的噪声，提高了系统的可靠性和抗干扰性。测试表明该系统具有较高的性能。     

Interactive visualization of large state spaces

Insight into the global structure of a state space is of great help in the analysis of the underlying process. We advocate the use of visualization for this purpose and present a method to visualize the structure of very large state spaces with millions of nodes. The method uses a clustering based on an equivalence relation to obtain a simplified representation, which is used as a backbone for the display of the entire state space. With this visualization we are able to answer questions about the global structure of a state space that cannot easily be answered by conventional methods. We show this by presenting a number of visualizations of real-world protocols .