桥式起重机精准定位在线轨迹规划方法设计及应用

针对工业桥式起重机的异步电机难以准确跟踪给定轨迹,从而导致离线轨迹规划算法定位误差很大的问题,论文提出一种基于相平面分析的在线轨迹规划算法.这种方法利用激光测距仪采集位置信息,在起重机运行过程中,根据台车与目标位置的距离来优化轨迹不同阶段的运行时间,并实时调整台车轨迹的有关参数,以实现台车精准定位的目标.实验结果表明,这种方法可以很好地兼顾负载快速消摆与台车准确定位两方面的要求,有利于提升桥式起重机的运送效率.论文将这种在线轨迹规划方法成功应用于标准32 t工业桥式起重机,并取得了良好的运行效果.     

改进路径规划算法在桥式起重机中的应用

原有的桥式起重机路径规划算法是以路径最短为目标函数,规划得到的路径存在多个拐点,在实际操作中由于起重机大车和小车的频繁起制动,使负载摆动较大且耗费了大量时间,严重影响了桥式起重机转载的效率；在分析桥式起重机自身结构和运行系统特点的基础上,通过改变原有替补栅格集合使大车和小车交替运行,同时将拐点的数量结合到路径规划算法的目标函数中,规划得到了无斜线,拐点少且路径短的最优路径；通过仿真与实验,对比得到在实际转载中改进算法得到的路径用时较短,证明了改进后的路径规划算法在实践上的可行性。     

基于能量耦合的欠驱动三维BC防摆控制

针对桥式起重机运行过程中,台车加速度变化引起的负载摆动问题,提出了一种用于欠驱动三维桥式起重机系统的能量耦合非线性控制方法.方法基于定绳长三维桥式起重机系统,引入负载空间位移误差信号,增强小车运动与负载摆动之间的耦合关系,构造新型的能量函数,设计了一种能量耦合的控制律;并且利用李雅普诺夫方法和拉萨尔不变性定理证明闭环系统的稳定性,能够实现台车定位与负载消摆功能.通过仿真结果分析,上述方法能够有效抑制负载摆动,实现台车定位,与传统PID控制和系统能量控制相比,具有更好的防摆控制效果.     

带有状态约束的双摆效应吊车轨迹规划

对于欠驱动吊车而言,已有方法大都将负载摆动视为单摆进行处理.然而当吊钩质量相比负载质量不可忽略或负载体积较大时,负载会绕吊钩产生第二级摆动,出现双摆效应,使系统的摆动特性更为复杂,欠驱动度更高,其控制更具挑战性;此外,现有方法均无法保证系统的暂态控制性能.针对这些问题,本文提出了一种基于轨迹规划的消摆定位控制方法.具体而言,本方法所规划的台车轨迹具有解析表达式,且充分考虑系统安全性(摆动幅值)及台车运动的物理约束;通过构造新颖的平坦输出信号,将施加在台车运动和两级摆动上的约束/指标转化为对平坦输出的约束,从而将轨迹规划转化为凸优化问题.该方法能够保证整个过程中系统两级摆动的角度、角速度,台车的速度、加速度、加加速度均保持在设定范围内.通过与已有方法进行仿真对比,可见本方法不仅简单易行,且在工作效率与摆动抑制方面均具有更为良好的控制性能.     

基于模糊控制的桥式起重机定位防摆研究

针对线性二次型最优控制(LQR)法在起重机定位防摆中存在的不足,在分析了桥式起重机小车运行物理模型的基础上,将模糊理论引入起重机定位防摆中,提出了基于模糊理论控制的思想,设计了一种基于模糊的起重机定位与防摆控制方法.通过建立隶属度函数与模糊控制规则,利用两个模糊控制器对小车的位置和负载的摆动角度分别进行控制,建立了模糊控制系统.通过与LQR仿真结果进行比较,结果表明了该方法的可行性与较好的鲁棒性.     

基于摆角约束的双摆吊车轨迹规划

桥式吊车作为一种典型的欠驱动系统,已经在现代工业生产运输过程中得到了广泛的应用。但当吊车系统中的负载体积过大或吊钩质量较大时,桥式吊车系统会呈现双摆特性,增加控制难度。针对这一问题,提出了一种基于摆角约束的双摆桥式吊车轨迹规划策略,以更方便地考虑摆角约束。首先,设计能够满足摆角约束的摆角运动曲线,并由台车运动与两级摆角之间的耦合关系得出台车加速度轨迹;然后,构造关于时间和最大摆角的目标函数;最后,将轨迹规划问题转化成一个可利用粒子群算法来求解的优化问题。MATLAB仿真对比结果表明,该方法在实现台车快速精准定位的同时,能有效抑制两级摆动及残余摆动,在系统参数改变时仍具有较好的鲁棒性,可尝试应用于实际工作中。     

伴有初始负载摆角的桥式起重机能量防摆控制

桥式起重机是一种广泛应用的大型搬运设备,在实际工作过程中,台车运动时会产生伴有初始负载摆角的负载摆动,影响工作效率并带来安全隐患.针对这种情况,设定期望的台车误差轨迹和摆角误差轨迹,将桥式起重机动力学模型转换为误差跟踪动力学模型,提出一种基于能量分析方法的桥式起重机防摆控制策略.通过LaSalle不变性原理和Lyapunov方法对闭环系统的稳定性进行理论分析.仿真与实验结果表明,所提防摆控制方法的控制性能几乎不受初始负载摆角的影响,可以保证桥式起重机在无初始负载摆角和带有初始负载摆角的情况下都能取得良好的控制效果,能够驱动台车准确到达目标位置,有效抑制并快速消除负载摆角,同时对外部扰动具有很强的鲁棒性.     

深海起重机系统的实时轨迹规划方法

近年来, 随着海洋资源的不断开发与海洋工程的全球化推进, 深海起重机得到了广泛应用, 其控制问题也引起研究人员的极大关注. 在深海作业环境中, 由于吊运过程受到水流作用力的影响, 负载摆动幅度增大, 系统状态量间非线性耦合关系增强, 使系统控制难度加大. 为此, 本文针对深海起重机系统提出了一种实时轨迹规划方法. 具体而言, 通过分析系统动力学特性和状态变量之间复杂的耦合关系, 提出了一种实时规划轨迹的方法, 并从理论上证明了该方法可在使台车准确快速到达指定位置的同时, 有效抑制负载摆动. 最后, 一系列仿真结果证明了所提方法的良好性能.     

带输入饱和的双摆桥式起重机神经网络滑模控制

针对现代工业中输入饱和受限的双摆桥式起重机防摇摆控制问题,设计了一种基于神经网络的非奇异终端滑模控制器。首先,分析起重机的非线性动力学系统,并引入抗饱和模块将系统所需的控制力限制在驱动电机能提供的最大驱动力内;然后,采用部分状态信息反馈控制设计控制器,该控制器只需起重机小车位置、速度的反馈信息,无须实时测量吊重和摆角;之后,利用所提控制器跟踪经过规划的S形平滑函数,并用神经网络逼近起重机系统中复杂未知的非线性函数部分;最后,通过李雅普诺夫稳定性理论对系统状态的稳定性进行分析。仿真结果表明,所提控制器能在保证起重机小车准确定位的同时,有效抑制吊钩和重物的残余摆动,并且对外界干扰具有较强的鲁棒性。     

桥式起重机三维吊装路径规划

桥式起重机吊装路径规划研究大部分是在二维环境下进行的,在三维环境中的路径规划研究较少,且目前关于桥式起重机的三维路径规划方法多是基于传感器导航的Srinivas算法。该算法的参数是根据经验得到的,且在不同环境中很难准确选择最优值。所建立的环境模型障碍物约为两个,无法证明在更多障碍物的环境中是否仍然可以保证路径最优且安全防撞。鉴于智能算法的优势以及在机器人领域中的成功应用,提出了基于改进蚁群算法的三维吊装路径规划方案。建立静态且环境已知的桥式起重机三维作业环境模型,利用栅格法划分空间,将桥式起重机所吊重物最大摆动距离与其安全通过障碍物的距离之和设为安全距离,且对蚁群算法的启发函数、适应度函数、信息素更新公式等进行了改进,使其应用于桥式起重机三维环境的吊装路径规划。Matlab仿真研究结果证明了该方案的可行性与有效性。     

一种直接基于摆角约束的欠驱动桥式吊车轨迹规划方法

针对非线性桥式吊车系统,本文提出了一种新颖的基于摆角约束的轨迹规划方法.为了提高运送过程的效率和安全性,论文设计了期望轨迹以实现如下优点: 1)使台车很快到达目标位置; 2)将负载摆角抑制到可接受的范围之内; 3)当负载在目标位置停止时无残余摆动.具体而言,所设计的轨迹由三个阶段构成,每一阶段均根据抗摆和零残余摆角的要求来构造摆角曲线,在此基础上,利用桥式吊车的非线性运动学方程分析得到台车轨迹.论文引入了一种优化机制对运送时间,最大摆角等指标进行折衷考虑.文中通过仿真和实验结果表明了所设计的直接基于摆角约束的轨迹规划方法的性能.     

基于事件驱动的无人机吊挂系统在线自适应轨迹规划

本文针对四旋翼无人机吊挂系统空运过程中负载摆角的非线性最优调节问题, 提出了一种基于事件驱动的在线自适应轨迹规划策略. 在事件驱动的自适应评价网框架下, 利用神经网络的逼近学习能力得到吊挂负载摆动抑制的折现最优控制律. 同时结合该控制律进一步规划四旋翼无人机的飞行轨迹, 实现了对无人机位置的精确调节和吊挂负载摆动的快速抑制, 并且显著降低了无人机机载处理器的计算负担. 然后采用基于Lyapunov稳定性的分析方法, 证明了神经网络输出权值估计误差一致最终有界, 并证明了无人机位置跟踪误差和吊挂负载摆动运动的收敛. 最后, 通过飞行对比实验验证了所提出的轨迹规划策略的有效性.     

非线性优化PID控制在桥式起重机防摆中的应用

控制或消除吊重摇摆对提高起重机工作效率、减少装卸作业安全隐患具有重要意义。以桥式起重机为例,建立其非线性模型,对负载摆动的动态过程进行动力学分析,研究负载摆动过程对系统的影响。以此为基础在Simulink环境下设计双闭环机构的PID控制器,通过非线性优化NCD模块对其进行参数优化。实验结果证明:该方法可快速准确确定PID控制器优化参数,5 s内可消除摆动,达到满意的控制效果;即使在吊重和绳长发生改变时系统仍具有一定鲁棒性。     

改进A~*算法在桥式起重机中的应用

传统A~*路径规划算法应用于桥式起重机路径规划任务时,规划所得路径拐点多,容易造成电机启停次数增多、转载效率下降、负载摆幅增大等问题。针对上述问题,对A~*算法的改进方法进行了研究。在改进过程中,综合考虑路径最优、智能避障、电机启停次数等约束条件后,新增节点方向信息启发函数,将其融入传统A~*算法的估价函数之中以减少路径拐点。同时,考虑到负载摆动问题,通过优化栅格地图模型,提高路径安全性。数字仿真与应用案例证明了基于改进A~*算法的智能路径规划方法的有效性。     

基于双臂摆动的仿人机器人偏摆力矩矫正方法

针对仿人机器人在步行时产生的绕ZMP(零力矩点)的偏摆力矩导致其失稳甚至摔倒的问题,提出了一种基于双臂摆动的偏摆力矩矫正方法.分析了偏摆力矩产生的原因及其对机器人步行稳定性的影响;根据仿人机器人的连杆模型和手臂摆动的单摆模型,推导出了双臂摆动力矩的表达式,结合双臂摆动的示意图阐述了利用双臂摆动力矩矫正偏摆力矩的原理;采用三次样条插值规划出双臂参数化的摆动角轨迹,再通过穷举法遍历摆动角参数使双臂摆动力矩满足偏摆力矩的矫正要求.仿真结果表明,该方法不仅能较好地矫正偏摆力矩,使机器人实现稳定的步行,而且能保证双臂的摆动角轨迹单调、平滑和周期性。     

基于微分平坦与MPC的智能车换道控制算法

为了提高智能车换道的安全性,提出了一种基于微分平坦理论与模型预测控制(MPC)算法相结合的智能车换道轨迹规划与跟踪算法。该算法利用约束求解得到基于sigmoid函数的优化路径;将其与多项式参数化时间函数作为平坦输出,利用微分平坦理论构造一个非线性性能指标函数并对其进行优化求解完成车速规划;从而实现对智能车辆路径-速度分解式的轨迹规划。利用动力学模型预测控制算法线上控制的优点,对智能车的车轮转向进行实时控制,使得车辆按照规划好的轨迹行驶完成换道。通过CarSim与MATLAB/Simulink的联合仿真,将提出的轨迹规划算法应用于车辆系统仿真软件中进行验证,结果表明该算法能够实现对智能车进行轨迹规划和跟踪控制,使其安全高效地换至目标车道。     

基于能耗优化的六足机器人摆动腿轨迹规划

以六足机器人单腿为研究对象,研究机器人摆动腿轨迹规划问题.由于摆动要消耗能量,所以提出了一种基于能耗优化的轨迹规划方案.结合以D-H法建立的机器人单腿运动学模型和腿部位置、速度、加速度等约束,采用多项式插值法在关节空间对机器人摆动腿进行轨迹规划.在考虑直流电机有效功率和热损耗的基础上,通过遗传算法对非线性等式和不等式约束下的非线性规划问题进行求解.仿真结果表明,所设计的方案能有效降低摆动腿能量消耗并保证轨迹连续平滑.     

基于微分平坦三轮全向足球机器人的轨迹规划

针对三轮全向足球机器人路径规划、位姿控制的特点,讨论了轨迹规划的控制问题,提出了一种基于微分平坦理论的轨迹规划的控制算法。此算法在轨迹跟踪控制中用来生成可行的期望轨迹,在路径规划的基础上研究三轮全向足球机器人动力学模型的轨迹规划方法,并且同时考虑控制量约束下的最优轨迹生成。仿真及实验结果表明,该算法具有控制精度较高,实时性强的特点。     

二维桥式起重机的滑模控制

基于滑模控制理论,研究二维桥式起重机的控制器设计问题.首先,考虑小车端受到外界干扰的情况以及利用一些等价变换,得到一个四阶桥式起重机动力学模型;然后,根据得到的动力学方程,分别设计一种比例微分滑模控制器和一种比例微分积分滑模控制器,进而通过构造李雅普诺夫函数的方法证明两种控制器下滑模面的可达性和系统的稳定性;最后,设计1组对比仿真实验和1组在自制的桥式起重机实验平台上的验证性实验.实验结果表明,所设计的两种滑模控制器均可以使桥式起重机达到给定的控制目标.     

基于状态估计的起重机吊重摆角衰减方法

研究桥式起重机防摇控制问题,针对工程实际中起重机吊重摆角和摆角角速度不易直接测量的问题,采用小车位置信息,设计状态观测器,通过引入观测器输出与小车吊重系统输出的差值.并经过观测器的增益向量调节送至观测器的输入端,观测器的4个极点均配置在复平面的负实轴上.通过反馈观测器的状态变量估计信息形成闭环控制系统,使吊重摆角在规定时间内以指定误差衰减为零,达到吊重摆角防摇控制.仿真结果表明,观测器在2s前精确估计吊重摆角及其角速度信息,吊重摆角在6s内得到有效防摇控制,证明了系统设计合理和有效.