基于三步法的机械臂轨迹跟踪控制

考虑机械臂末端轨迹跟踪控制问题,以跟踪逆运动学求解出的末端期望轨迹对应的各关节期望角度为控制目标.设计了一种基于三步法的控制器,该控制器由类稳态控制、可变参考前馈控制和误差反馈控制3部分组成.证明了该控制器可以通过控制机械臂的各关节力矩实现各关节实际角度对期望角度的状态跟踪,进而使得末端轨迹渐近跟踪期望轨迹,并且跟踪误差是输入到状态稳定的.仿真表明基于三步法控制器的空间机械臂末端可以渐近跟踪期望轨迹,并且该算法可以克服系统的末端负载质量变化等不确定性的影响.     

考虑输出约束的机械臂自适应神经网络鲁棒控制

在工业机械臂系统的跟踪控制过程中,由于其结构和工作环境复杂,导致难以建立精确的系统模型,针对此问题提出了基于多层前馈神经网络的自适应鲁棒控制器.通过神经网络在线估计机械臂系统动力学模型,并在控制器中进行补偿,同时设计了一个在线更新的鲁棒项克服神经网络的重构误差;考虑机械臂实际系统的输出约束,采用障碍李雅普诺夫函数设计控制律并证明系统的稳定性从而使系统满足约束条件.仿真实验结果表明:在约束条件下所提出的控制器能够实现系统的一致最终有界稳定,且跟踪性能良好,并具有很好的抗干扰和自适应能力.     

基于自适应MPC算法的轨迹跟踪控制研究

为了保证智能车辆在低附着且变速条件下跟踪控制的精确性和稳定性,提出一种基于自适应模型预测控制（MPC）的轨迹跟踪控制算法。针对低附着条件下轨迹跟踪存在行驶稳定性较差的问题,对车辆动力学模型添加侧偏角软约束,分别设计有无添加侧偏角约束的MPC控制器。仿真结果表明,添加侧偏角约束后MPC控制器性能更优,车辆行驶稳定性得到有效提高。在此基础上,又提出了一种自适应的轨迹跟踪控制策略,能够根据车辆速度的变化,实时产生预测时域[(Hp)],分别设计自适应的MPC控制器与4组定值[Hp]的MPC控制器。仿真结果表明,基于自适应模型预测控制的轨迹跟踪控制算法在提高低附着且变速条件下智能车辆轨迹跟踪控制的精度和稳定性方面具有一定的有效性和先进性。     

二阶动态滑模控制在移动机械臂输出跟踪中的应用

针对移动机械臂的输出跟踪问题,结合高阶滑模控制和动态滑模控制的设计思想为其设计了一种二阶动态滑模控制器.首先给出了包括驱动电机动态特性的移动机械臂的简化动态模型,然后通过微分同胚和输入变换将其分解为四个低阶子系统,并给出了其输出跟踪的二阶动态滑模控制器的设计方法.仿真结果表明,所设计的二阶动态滑模控制器不仅能很好地跟踪给定轨迹,而且能有效地削弱滑模控制系统的抖振.     

柔性机械臂的双时间尺度组合控制

本文研究柔性机械臂的轨迹跟踪和振动抑制问题. 首先, 利用Lagrange法和假设模态法建立柔性机械臂的动态模型, 进而利用奇异摄动理论得到柔性机械臂的双时间尺度模型. 然后, 基于慢时间尺度模型利用滑模控制理论设计轨迹跟踪控制器; 借助于快时间尺度模型利用自适应动态规划设计参数不精确已知情况下的最优振动抑制控制器; 将二者相结合, 构造双时间尺度组合控制器, 利用奇异摄动理论证明闭环系统稳定. 最后, 在Matlab/Simulink环境下进行实验, 与现有方法相比, 本文设计的控制器对柔性振动具有更好的振动抑制效果, 跟踪精度更高.     

非完整移动机械臂的鲁棒跟踪控制

针对非完整移动机械臂惯性参数的不确定性,采用滑模控制为其设计了输出跟踪控制器。首先给出了包括驱动电机动态特性的非完整移动机械臂的简化动态模型,然后通过微分同胚和输入变换将其分解为4个低阶子系统,并给出了其输出跟踪的滑模控制器设计方法。仿真实验表明,所设计的鲁棒控制器能很好地跟踪给定轨迹。     

广义预测控制器系数直接算法

为了简化广义预测控制算法的分析与设计，提出了广义预测控制器系数直接计算方法．该方法利用过程模型直接递推，把广义预测控制律表达成控制器系数与参考轨迹及过程历史信息乘积的形式．其控制器系数计算只与模型参数及设计参数有关，避免了在线求解Diophantine方程、输出预测表达式及自由响应项，简化了设计思路，减少了在线运算量．在一个DCS控制的非线性液位装置上得到的对比实验结果表明该方法是可行和有效的．     

机械臂轨迹跟踪控制--基于EC-RBF神经网络的机械臂模型参考自适应控制

针对机械臂运动轨迹控制中存在的跟踪精度不高的问题,采用了一种基于EC-RBF神经网络的模型参考自适应控制方案对机械臂进行模型辨识与轨迹跟踪控制。该方案采用了两个RBF神经网络,运用EC-RBF学习算法,采用离线与在线相结合的方法来训练神经网络,一个用来实现对机械臂进行模型辨识,一个用来实现对机械臂轨迹跟踪控制。对二自由度机械臂进行仿真,结果表明,使用该控制方案对机械臂进行轨迹跟踪控制具有较高的控制精度,且因采用EC-RBF学习算法使网络具有更快的训练速度,从而使得控制过程较迅速。     

地面装调的空间机械臂在空间应用时的自适应鲁棒控制

针对空间机械臂在轨操控过程中,重力加速度不同于地面装调阶段的重力加速度,会随着空间位置的改变而变化的问题.本文提出了一种自适应鲁棒控制策略,用于空间机械臂的末端控制,从而使在地面重力条件下装调好的空间机械臂能够在空间微重力条件下实现在轨操控任务.通过分析重力项对空间机械臂轨迹跟踪控制的影响,设计自适应律在线估计重力加速度,从而得到重力项的估计,系统的不确定性通过鲁棒控制器来补偿.基于李雅普诺夫理论证明了闭环系统的稳定性.仿真结果表明,在地面装调阶段的重力环境下和空间应用阶段的微重力环境下,该控制器对空间机械臂的末端控制均能达到较高的轨迹跟踪精度,具有重要的工程应用价值.     

基于能量的Acrobot动态伺服控制

研究了Acrobot垂直平面欠驱动机械臂的动态伺服控制问题.动态伺服控制不同于定点控制和轨迹跟踪控制,而是利用欠驱动系统中存在的周期轨道特性,实现对轨迹的动态跟踪.首先通过对比单摆运动规律寻找到周期轨道所满足的条件;然后利用Lyapunov稳定性理论设计反馈控制律,并给出控制律存在的一系列条件;最后分析了系统中存在的奇点及其对收敛性的影响.仿真实验表明了所设计的控制器是有效的.     

Input-output linearizing control of constrained nonlinear processes

An input-output linearization strategy for constrained nonlinear processes is proposed. The system may have constraints on both the manipulated input and the controlled output. The nonlinear control system is comprised of: (i) an input-output linearizing controller that compensates for processes nonlinearities; (ii) a constraint mapping algorithm that transforms the original input constraints into constraints on the manipulated input of the feedback linearized system; (iii) a linear model predictive controller that regulates the resulting constrained linear system; and (iv) a disturbance model that ensures offset-free setpoint tracking. As a result of these features, the approach combines the computational simplicity of input output linearization and the constraint handling capability of model predictive control. Simulation results for a continuous stirred tank reactor demonstrate the superior performance of the proposed strategy as compared to conventional input-output linearizing control and model predictive control techniques.     

面向未知环境基于智能预测的模糊控制器研究

提出了一种新的面向未知环境的智能预测算法，并将此算法应用于机器人力跟踪控制中．该方法利用机械手末端与未知受限环境产生的接触轨迹，通过模糊推理智能地预测阻抗控制模型中的参考轨迹，并根据力误差变化用参考比例因子对其进行调节，以适应未知环境刚度的变化．通过对阻抗模型参数进行模糊调节减少受限运动中的力误差，提高了全局的力控制效果．仿真结果证明了此算法的有效性．     

四旋翼无人机安全轨迹跟踪控制

针对存在安全约束的四旋翼无人机,为了保证其能够快速稳定地跟踪给定轨迹,本文提出了一种基于双闭环思想及控制障碍函数求解二次规划问题的控制器设计框架.首先,考虑到无人机的模型不确定性及外界干扰问题,基于快速非奇异终端滑模面设计了双闭环标称控制器,能够实现有限时间快速收敛.进一步地,为了解决无人机遇到的状态、距离约束等安全控制问题,利用控制障碍函数,将带有约束的控制器设计问题转化成二次规划的求解问题.最后,对提出的控制策略进行了仿真,验证了控制器的快速性和鲁棒性,并实现了给定轨迹的安全跟踪.     

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.     

A unified symplectic pseudospectral method for motion planning and tracking control of 3D underactuated overhead cranes

In this paper, a unified symplectic pseudospectral method for motion planning and tracking control of 3D underactuated overhead cranes is proposed. A feasible reference trajectory taking constraints into consideration is first generated offline by the symplectic pseudospectral optimal control method. Then, a trajectory tracking model predictive controller also based on the symplectic pseudospectral method is developed to track the reference trajectory. At each sampling instant, the trajectory tracking controller works by solving an open‐loop optimal control problem where linearized system dynamics is used instead to improve the computational efficiency. Since the symplectic pseudospectral optimal control method is the core algorithm for both offline trajectory planning and online trajectory tracking, constraints on state variables and control inputs can be easily imposed and hence theoretically guaranteed in solutions. By selecting proper weighted matrices on tracking error and control, the developed controller could achieve control objectives in both accurate trolley positioning and fast suppressing of residual swing angles. Simulations for 3D overhead crane systems in the presence of perturbations in initial conditions, an abrupt variation of system parameter, and various external disturbances demonstrate that the developed controller is robust and of excellent control performance.     

Formation tracking of multi-vehicle systems in unknown environments using a multi-region control scheme

In this paper, a multi-region control scheme is proposed for a formation of nonholonomic vehicles to track a reference trajectory while avoiding collisions and preserving network connectivity in unknown environments. The proposed control scheme defines three regions, safe region, dangerous region and transition region. In different regions, priority is given to different control objectives. In safe region where trajectory tracking holds the priority, the proposed control scheme guarantees bounded tracking of the reference trajectory for each vehicle. In dangerous region where avoidance control is the main objective, a new bounded potential function is designed to characterise constraints of obstacle and inter-vehicle collision avoidance as well as connectivity maintenance. By introducing a series of transition functions, smooth switching between trajectory tracking and avoidance control is achieved in transition region. It has been proved that each vehicle can track its reference trajectory while satisfying the constraints simultaneously with a bounded controller which means that the proposed control scheme satisfies input constraints by properly tuning parameters. Simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed method.     

Backstepping control of flexible joint manipulator based on hyperbolic tangent function with control input and rate constraints

In this paper, we investigate the trajectory tracking problems of the link angle and angle speed of the flexible joint manipulator model based on external disturbance, the control input and rate constraints. The controller of the flexible joint manipulator model is designed using the backstepping control scheme. To achieve this objective, the smooth hyperbolic tangent function is used to solve the problems of control input and rate constraints, and the stability is proved using Lyapunov function in the design procedure of the backstepping control scheme. Finally, the effectiveness of the proposed backstepping controller is verified by numerical simulation.     

基于模型预测的自动导引车区间轨迹跟踪控制

针对自动导引车(AGV)轨迹跟踪问题,在确定其可行驶区域的基础上,考虑自动导引车的大小和形状,本文设计了一种基于模型预测控制理论的轨迹跟踪控制方法.首先,将车辆运动学模型进行线性化处理,得到车辆动力学线性模型;其次,运用模型预测控制方法,利用预测路径与期望路径之间的误差,通过优化得到使性能指标最优的控制序列;最后,在MATLAB软件上对轨迹跟踪控制器进行仿真.实验结果表明,AGV可以稳定地跟踪参考轨迹,且距离偏差和角度偏差都在给定的可行范围内,证明了提出的基于模型预测控制的轨迹跟踪算法具有良好的跟踪性能.     

基于眼到手视觉伺服的移动机器人模型预测控制

针对具有速度约束的移动机器人视觉轨迹跟踪问题,提出了一种基于LOQO内点法的模型预测控制方法;在眼到手框架下,首先建立了移动机器人误差模型,并对该误差模型进行离散化,给出了移动机器人视觉伺服跟踪的代价函数;同时考虑到实际中移动机器人存在速度约束问题,将代价函数的最小化问题转换为带输入约束的模型预测控制问题;然后采用障碍函数法将移动机器人的速度约束转化为等式约束并采用拉格朗日乘子法引入到代价函数中;进而,利用LOQO内点法求解具有速度约束的最小化问题,得到基于视觉的轨迹跟踪控制器;最后,通过仿真验证了所提算法的有效性和优越性.     

On Trajectory Tracking Model Predictive Control of an Unmanned Quadrotor Helicopter Subject to Aerodynamic Disturbances

In this article a model predictive control (MPC) strategy for the trajectory tracking of an unmanned quadrotor is presented. The quadrotor's dynamics are modeled using a hybrid systems approach and, specifically, a set of piecewise affine (PWA) systems around different operating points of the translational and rotational motions. The proposed control scheme is dual and consists of an integral MPC for the translational motions, followed by an MPC scheme for the tracking of the quadrotor's attitude motions. By the utilization of PWA representations, the controller is computed for a larger part of the quadrotor's flight envelope, which provides more control authority for aggressive maneuvering. The proposed dual control scheme is able to calculate optimal control actions with robustness against atmospheric disturbances (e.g. wind gusts) and with respect to the physical constraints of the quadrotor (e.g. maximum lifting forces or fixed thrust limitations in order to extend flight endurance). Extended simulation studies indicate the efficiency of the MPC scheme, both in trajectory tracking and aerodynamic disturbance attenuation.