基于遗传算法的四旋翼PID控制器参数整定

四旋翼作为典型的欠驱动系统,传统情况主要依靠PID控制器进行控制,PID控制器参数对于四旋翼飞行静态性能和动态性能均有较大影响。提出一种基于遗传算法的四旋翼PID控制器参数整定方法,利用遗传算法良好的寻优特性,结合四旋翼自身动力学方程,对传统的四旋翼模糊PID控制器进行参数优化,并通过MATLAB的SIMULINK工具箱仿真验证优化结果的稳定性。     

机械臂关节空间轨迹的神经网络滑模跟踪控制

为了提高机械臂对给定轨迹的跟踪精度且削弱滑模控制抖振问题,提出了基于RBF神经网络滑模控制的轨迹跟踪方法。建立了多连杆机械臂系统的运动学和动力学模型。首先忽略由建模误差和系统扰动产生的系统不确定项,建立了全局PID滑模控制器,设计了由等效控制律和切换控制律组成的全局滑模控制律;而后使用单隐含层RBF神经网络逼近系统不确定项,使用神经网络对不确定项的逼近值补偿建模误差和系统扰动,达到提高控制精度的目的。经仿真验证,在机械臂初始位置误差较大的情况下,神经网络滑模控制器的调节时间、超调量、驱动力矩抖振远小于全局PID滑模控制器,证明了神经网络滑模控制器在机械臂轨迹跟踪控制中的有效性。     

气动轻量型机械臂伺服控制系统和碰撞检测方法研究

针对服务型机器人对系统的柔性、安全性提出的高要求,开展了气压驱动轻量型机械臂的伺服控制系统和碰撞检测方法研究。设计制作了二自由度轻量型机械臂样机,建立了机械臂的运动学和动力学方程,对系统的摩擦力矩进行了辨识。采用PID与加速度反馈和摩擦力前馈补偿控制策略,解决了机械臂关节旋转过程中的低速爬行问题。研究了基于被动柔顺控制和动力学方程的碰撞检测方法,实现了机械臂的防碰撞功能,提高了系统的安全性。通过对实验样机的试验测试,验证了机械臂的位置伺服控制策略和碰撞检测方法的有效性。     

漂浮基柔性空间机械臂协调运动的非线性鲁棒自适应控制

针对具有外部扰动与参数不确定或未知的情况,讨论漂浮基柔性空间机械臂系统的协调控制与柔性振动抑制问题。基于假设模态法对柔性臂杆进行近似描述,并利用第二类拉格朗日方程与系统动量守恒关系,推导带外部扰动的漂浮基柔性空间机械臂系统的动力学方程。以此为基础,提出漂浮基柔性空间机械臂系统协调运动的非线性鲁棒控制与非线性鲁棒自适应控制方案。此两种控制方案均可克服外部扰动对系统的影响,控制漂浮基柔性空间机械臂系统载体姿态与机械臂各关节铰完成期望的协调运动,同时有效地抑制了臂杆的柔性振动。除此之外,非线性鲁棒自适应控制方案还可以解决系统惯性参数不确定或未知的问题。系统数值仿真结果证实了所提控制方案的有效性和可行性。     

2R欠驱动平面柔性机械臂的位置控制策略与试验研究

针对同时具有被动关节和柔性杆的欠驱动平面机械臂,提出一种简单易行的分段位置控制策略。以2R欠驱动平面柔性机械臂为研究对象,建立机械臂的假设模态动力学模型,分析系统的动力学耦合特性与可控性。通过被动关节处制动器的开闭切换,研究平面柔性机械臂的分段位置控制策略,采用PID方法分别设计各阶段主动、被动关节的控制算法。最后,基于自行开发的欠驱动平面机械臂的试验平台及实时控制系统,完成了2R欠驱动平面柔性机械臂位置控制的试验研究。仿真和试验结果表明,主动关节和被动关节在各阶段都能很好地跟踪目标值,进而实现机械臂的操作任务,验证了所提控制方法的可行性和有效性,以及欠驱动柔性机械臂动力学模型的正确性。     

四旋翼飞行器的自适应鲁棒滑模控制器设计

针对四旋翼欠驱动系统的姿态控制问题,提出一种自适应鲁棒滑模控制方法。对四旋翼系统实现了双环控制,内环为姿态控制,外环为位置控制。根据牛顿-欧拉方程建立了四旋翼系统的动力学模型,针对系统中的外部扰动和参数摄动等不确定性因素,设计了基于Lyapunov稳定控制算法,内环使用自适应鲁棒滑模控制;外环使用鲁棒控制。仿真和实验表明所提控制策略对外界扰动和模型的不确定性具有较强的鲁棒性。     

线性二次调节器在机械臂非线性控制中的应用研究

针对应用计算力矩法对机械臂进行非线性控制时动力学模型参数误差会引起伺服误差增大以及系统稳定性下降等问题,将线性二次型调节技术应用到机械臂非线性控制中,开展对机械臂线性化解耦控制律中闭环误差特性微分方程的分析,建立了伺服误差与动力学模型参数误差之间的关系,提出了在控制系统中加入误差补偿项的方法,误差补偿过程考虑为有限阶段马尔可夫决策的过程,利用线性二次调节器(LQR),通过收集先前动作中的伺服误差信息计算得出了补偿项,该方法适用于做重复工作的机械臂。在ADAMS动力学分析软件中的二连杆机械臂模型,以及单关节实验平台上对该方法抑制伺服误差的能力进行了评价,并进行了轨迹跟随试验。研究结果表明,该方法能够有效地补偿动力学模型的误差,减小机械臂伺服误差,提高轨迹精度。     

LabVIEW环境下的机械臂轨迹跟踪控制算法研究

轨迹跟踪是机械臂控制的最终目的,针对机械臂仿真控制领域文本语言编程复杂、效率低等问题,构建了一种基于LabVIEW的四轴机械臂仿真控制平台,以Dobot机械臂为研究对象,使用Lagrange分析法构建动力学方程,并在LabVIEW中搭建了其仿真模型;还针对PID控制应用于非线性、强耦合、多变量的机器人系统时,其控制效果不理想的问题,设计了一种基于LabVIEW的模糊PID机械臂控制策略。通过LabVIEW仿真实验表明,该方法提高了控制精度,降低了系统的超调量和调节时间,大大缩短了开发周期。     

机械臂固定时间观测器和自适应滑膜控制方法的设计

在机械臂轨迹跟踪控制过程中,当利用观测器对模型参数不确定性和外部未知动态扰动进行估计时,估计时间容易受扰动初值的影响,为此基于固定时间扰动观测器设计了一种自适应滑模轨迹跟踪控制方法。利用固定时间观测器的特性,在固定时间内获得机械臂内部模型误差和外部不确定扰动的估计,对扰动估计做出补偿,通过滑模控制策略实现机械臂的轨迹跟踪控制。针对滑模控制伴随抖震的特性,论文对滑模控制器的趋近律进行了抑制抖震的改进设计。通过仿真实验证明:基于固定时间扰动观测器的滑膜控制方法能够在固定时间内准确获取扰动的估计值,能够控制机械臂以高精度跟踪给定轨迹;通过与基于高阶扰动观测器的滑模控制方法进行仿真对比,验证了该方法在消除不确定扰动的基础上,能够有效地抑制系统抖振,并且跟踪误差能够在短时间内以指数速率完成收敛。     

带机械臂四旋翼飞行器的控制方法研究

四旋翼飞行器机械原理简单,主要由四个螺旋桨和十字架结构机身组成,是典型的强耦合,非线性欠驱动的六自由度系统。四旋翼飞行器利用四个螺旋桨的转速变化,来控制机身的姿态变化。例如:绕Y轴的俯仰和沿Y轴的左右移动;绕X轴的横滚和沿X轴的前进与后退;绕Z轴的偏航和沿Z轴的上升与下降。四旋翼飞行器的姿态控制是控制系统的核心部分,是热门研究课题。文章的主要内容如下:1.首先对四旋翼飞行器进行了受力分析,通过导航坐标系与机体坐标系之间的变换及Newton-Euler方程对四旋翼飞行器建立运动学模型、动力学模型;2.根据建立的四旋翼飞行器的模型设计研究了基于抗饱和的串联PID控制算法,基于matlab/Simulink中提供的模块对四旋翼飞行器进行模拟仿真实验;3.基于饱和的串联PID控制算法进行仿真实验,结果表明基于抗饱和的串联PID控制算法有良好的动态特性;4.将携带的机械臂考虑成四旋翼无人机在飞行过程中所受的干扰,进行实验。本论文对携带机械臂四旋翼飞行器做了初期的研究,希望后期有更多这方面的学者深入研究。     

双臂空间机器人姿态与关节协调运动的自适应控制、鲁棒控制

讨论了载体位置不受控制情况下的双臂空间机器人姿态和关节协调运动的自适应与鲁棒控制问题。利用拉格朗日方法导出了双臂空间机器人欠驱动形式的系统动力学方程;在该方程的基础上,基于增广变量法（恰当地扩展系统的控制输入和输出）,成功地克服了完全能控形式的空间机器人系统动力学方程关于惯性参数呈非线性函数关系的难点;针对双臂空间机器人两末端抓手所持载荷参数未知与不确定两种情况,分别设计了载体姿态与机械臂各关节协调运动的自适应控制和鲁棒控制方案。系统数值仿真表明,两种控制方案均可有效消除空间机器人系统惯性参数未知和不确定的影响,控制双臂空间机器人的载体姿态与机械臂各关节准确地完成期望的运动。     

重载机械臂对未知载荷参数的补偿控制

为了研究机械臂在载荷参数未知,尤其在所持载荷较大的情况下,对机械臂的位姿精确控制问题。利用牛顿—欧拉方程建立重载机械臂系统的动力学方程,以此为基础,设计一种基于标称计算力矩控制器加滑模神经网络补偿器的复合控制方案,用来控制机械臂末端执行器夹持载荷参数未知且载荷大的情况,即通过滑模神经网络来补偿由于系统未知参数对标称计算力矩的误差影响,以确保存在未知参数和较大惯性的情况下整个控制系统的渐进稳定性。该方法能够有效地控制重载机械臂系统的位姿。于此同时,此方法具有系统动力学方程不要求系统惯性系数呈线性函数关系的显著优点。通过仿真研究表明该方法的有效性。     

受到外部扰动的空间机械臂基于模糊递归神经网络的控制策略

针对载体位置不受控、姿态受控的空间机械臂运动控制问题,对具有不确定系统参数的空间机械臂在受到外部扰动工况下动力学建模以及控制算法进行了研究。运用拉格朗日第二类动力学方程及被控系统动量守恒关系,对该工况下空间机械臂运动特性进行了分析,建立了系统在受到外部扰动时的动力学模型,并对动力学特性进行了归纳,提出了一种基于模糊递归神经网络的控制策略。根据李雅普诺夫第二类方法,证明了整个闭环控制系统的运动渐进稳定性。使用计算机数值仿真实验与计算力矩法进行对比,阐述了整个控制系统的有效性。研究结果表明,在存在外部扰动及系统参数不确定时,所设计的控制方案相比于传统计算力矩控制方法具有更好的轨迹跟踪效果和更高的可靠性。     

七自由度冗余机械臂避障控制

基于冗余机械臂零空间的自运动特性,提出了一种新的七自由度冗余机械臂避障控制方法.该方法引入臂平面和避障面来参数化表达冗余机械臂的零空间运动;基于这种描述,利用人工势场法实现碰撞检测;根据检测结果得出的虚拟排斥力推导零空间运动方程,改进具有位置内环的逆动力学控制方法,使机械臂避障时的动态性能具有类似质量-阻尼系统的物理特性.该方法可以在控制末端执行器运动的同时实现冗余机械臂避障.为了验证所提出方法的性能,利用在轨自维护实验平台完成了实验.实验结果表明,机械臂与障碍物的最近距离大于40 mm,末端执行器位置动态误差小于10 mm,稳态误差小于2 mm.这些结果显示,所提出的方法通过合理地自运动行为实现了冗余机械臂的避障控制,而且在避障过程中不影响末端执行器的操作.     

变论域模糊补偿的机械臂积分终端滑模控制

为了减小机械臂在环境扰动、参数漂移和建模误差等影响下的轨迹跟踪误差,设计了基于积分终端滑模和变论域模糊补偿的组合控制器。采用拉格朗日方程建立了机械臂系统的动力学模型,制定了不确定因素影响下机械臂跟踪控制方案;设计的积分终端滑模控制器可以将系统初始状态限制在滑模面上,消除了控制过程的抖振并提高了跟踪速度;提出了自适应论域策略,该策略可以提高补偿力矩的输出细粒度,并将变论域模糊算法用于不确定因素补偿。经实验验证,变论域模糊补偿控制对关节1角位置的最大跟踪误差为0.103 rad,误差绝对均值为0.025 rad,对关节2角位置的最大跟踪误差为0.073 rad,误差绝对均值为0.012 rad,跟踪控制精度高于模糊补偿控制、RBF-BP控制和自适应鲁棒控制,验证了变论域模糊补偿控制方法的有效性和先进性。     

具有外部扰动双臂空间机器人的神经网络在线自学习补偿控制

探讨了在未知外部扰动影响下,漂浮基双臂空间机器人载体姿态与两机械臂末端爪手协调运动的补偿控制问题。利用系统动量守恒关系对漂浮基双臂空间机器人的运动学、动力学进行分析,导出了系统的工作空间动力学方程。以此为基础,针对系统存在未知外部扰动的复杂情况,设计了漂浮基双臂空间机器人协调运动的神经网络在线自学习补偿控制方案。该控制方案可以有效地避免对载体位置相关量进行实时测量与反馈,并由于神经网络良好的在线自学习补偿作用,有效地补偿了外部扰动对控制精度的影响,大大提高了整个系统的鲁棒性及自适应能力。仿真运算验证了控制方法的可行性。     

基于模型控制的液压机械臂高精度轨迹跟踪

液压机械臂具有高度非线动力学特性,末端轨迹跟踪误差大。为此,提出一种辨识动力学参数的基于模型的控制算法(Model-basedcontrol,MBC)。该控制算法由外环的液压缸位置反馈控制器、内环的力控制器以及前馈流量补偿控制器三部分输出叠加组成。力控制器充分考虑液压机械臂动力学模型,动态补偿惯性力、重力和摩擦力等干扰力对控制精度的影响;位置控制器用以消除液压执行器造成的力偏差;前馈流量补偿器根据液压执行器动力学模型计算流量补偿量,提高系统响应与精度。针对动力学模型中存在的参数不准确问题,采用了最小二乘参数辨识的方法,在激励轨迹下获取液压机械臂动力学参数精确值。试验结果表明,所提出的辨识动力学参数的MBC控制算法相比3D模型参数的MBC控制在自由空间运动位置跟踪精度提升了39.24%,相比与传统PID控制提升了93%,显著提高了轨迹跟踪精度。     

带滑移铰空间机械臂末端相对轨迹的自适应跟踪控制

讨论了载体位置、姿态均不受控制的带滑移铰空间机械臂的控制问题。结合系统动量守恒关系进行的系统动力学、动力学分析表明，可以得到一组欠驱动形式的空间机械臂系统动力学方程，它们可以表示为一组适当选择的惯性参数的线性函数，由此克服了空间机械臂系统动力学方程关于惯性参数呈非线性函数关系的难点。在此基础上，针对系统中机械臂关参数未知的情况，设计了空间机械臂末端抓手相对运动轨迹跟踪的自适应控制方案。此控制方案具有不需要测量、反馈漂浮基的位置、移动速度及移动加速度的显著优点，适用于空间站舱内机械手控制系统设计。仿真运算证实了提出的控制方案的有效性。     

非完整移动机械臂的自适应模糊滑模控制研究

针对四轮二连杆非完整移动机械臂的轨迹跟踪问题,设计了一种结合自适应模糊控制和滑模控制的控制策略。首先建立了系统包含未知动力学模型不确定性和外部扰动的动力学控制模型,然后基于反演技术设计了控制器;采用了模糊控制来逼近系统未知时变总体不确定性,并采用了自适应机制动态优化模糊系统控制参数,进一步采用了指数趋近律滑模控制消除模糊逼近误差的影响。研究结果表明:该控制器对系统总体不确定性进行了有效补偿,保证了移动机械臂在复杂不确定环境下的良好轨迹跟踪性能。     

带滑移铰空间机械臂未端相对轨迹的自适应跟踪控制

讨论了载体位置、姿态均不受控制的带滑移铰空间机械臂的控制问题。结合系统动量守恒关系进行的系统运动学、动力学分析表明,可以得到一组欠驱动形式的空间机械臂系统动力学方程,它们可以表示为一组适当选择的惯性参数的线性函数,由此克服了空间机械臂系统动力学方程关于惯性参数呈非线性函数关系的难点。在此基础上,针对系统中机械臂相关参数未知的情况,设计了空间机械臂末端抓手相对运动轨迹跟踪的自适应控制方案。此控制方案具有不需要测量、反馈漂浮基的位置、移动速度及移动加速度的显著优点,适用于空间站舱内机械手控制系统设计。仿真运算证实了提出的控制方案的有效性。