输入受限四旋翼飞行器的模糊自适应动态面轨迹跟踪控制

针对输入受限条件下四旋翼飞行器的轨迹跟踪控制问题,考虑系统存在模型动态不确定和未知外界干扰的情况,提出一种模糊自适应动态面轨迹跟踪控制方法.该方法设计干扰观测器估计位置模型中复合扰动项,利用模糊系统逼近姿态模型中不确定项和外界干扰,并引入双曲正切函数和辅助系统处理输入受限问题,结合反演法和动态面技术设计轨迹跟踪控制器,以降低控制算法的复杂性,最后选取李雅普诺夫函数证明闭环系统所有信号一致最终有界.应用大疆M100飞行器模型进行仿真验证,结果表明所设计的控制器能够有效处理模型动态不确定和未知外界干扰问题,避免飞行器工作过程中因输入饱和导致执行器失效现象,精确地完成轨迹跟踪控制任务.     

应用于力矩受限自由漂浮空间机器人的神经网络自适应控制

在控制力矩受限情况下,为实现具有模型不确定性自由漂浮空间机器人的轨迹跟踪控制,文章设计了一种新的神经网络自适应控制策略;首先,用双曲函数对控制力矩输入进行限制;其次,设计一种神经网络自适应控制律,对输入力矩受限条件下的非线性系统模型进行在线逼近,同时,利用鲁棒项对神经网络逼近误差和外界干扰进行消除;最后,根据李雅普诺夫理论,证明了所设计控制策略能够使自由漂浮空间机器人系统渐进稳定;仿真实验表明,该控制策略在无需建立复杂系统模型的情况下,便能够对控制力矩进行有效限制,从而使自由漂浮空间机器人在控制力矩受限情况下得到较好的控制.     

面向人机交互的下肢外骨骼自适应轨迹跟踪

在可穿戴下肢外骨骼助力系统的轨迹跟踪控制研究中,针对系统存在人机交互力耦合,建立了人机耦合高阶动力学模型,提出了一种单自由度下肢外骨骼系统的人机协同控制策略.考虑系统存在的模型误差和外界干扰,采用了干扰观测器对系统总扰动进行动态观测和实时补偿;针对模型参数因人而异且难以准确获取的问题,设计了自适应反步滑模控制器;根据Lyapunov稳定性分析,证明了闭环系统渐进稳定.仿真结果表明系统能够快速准确地跟踪期望轨迹且具有较强的鲁棒性,验证了自适应反步滑模控制器的有效性.     

输入输出受限船舶的轨迹跟踪自适应递归滑模控制

针对输入输出受限, 模型部分不确定和受到未知海洋干扰的全驱动船舶的轨迹跟踪问题, 提出一种基于时 变非对称障碍李雅普诺夫函数的最小参数自适应递归滑模控制策略. 该策略首先设计障碍李雅普诺夫函数约束船 舶轨迹在有限区域内, 利用最小参数法神经网络逼近模型不确定项, 降低系统的计算复杂度, 然后采用指令滤波器 对输入信号进行幅值约束, 同时避免对因反步法导致的微分爆炸问题, 综合考虑船舶位置以及速度误差间的关系设 计递归滑模控制律, 提高系统的鲁棒性, 采用双曲正切函数和Nussbaum函数补偿由输入饱和引起的非线性项, 提高 系统稳定性. 最后通过Lyapunov理论分析证明了全驱动船舶闭环系统中所有信号是一致最终有界的. 仿真结果表 明, 本文所设计的船舶轨迹跟踪控制方案能有效处理船舶模型不确定部分以及未知外界干扰的问题, 能够实现船舶 在输入受限的情况下在有限区域内航行并准确的跟踪期望轨迹, 具有较强的鲁棒性.     

饱和输入下四旋翼无人机滑模轨迹跟踪控制

为解决四旋翼无人机在饱和输入下的轨迹跟踪控制问题,同时兼顾系统存在的参数不确定性和外部风力扰动影响,设计了一种改进的抗干扰自适应鲁棒滑模控制方法;基于六自由度架构,设计四旋翼无人机简化的系统模型,进而降低控制器设计的复杂程度;引入带有误差信号的滑模函数,设计带有误差信号的饱和补偿自适应控制律,同时增加鲁棒控制项,降低由于饱和输入问题带来的抖振影响,并减小参数不确定和外部风力扰动对系统稳定性的影响;系统模型与抗干扰自适应控制律相结合,形成了改进的抗干扰自适应鲁棒滑模控制策略,实现四旋翼无人机的位置轨迹和姿态轨迹的稳定跟踪;最后通过数值仿真与传统PD控制算法进行仿真比较,验证控制方法的有效性和优越性。     

考虑柔性关节的机械臂自适应运动控制策略研究

具有柔性关节的轻型机械臂因其自重轻、响应迅速、操作灵活等优点,取得了广泛应用;针对具有柔性关节的机械臂系统的关节空间轨迹跟踪控制系统动力学参数不精确的问题,提出一种结合滑模变结构设计的自适应控制器算法;通过自适应控制的思想对系统动力学参数进行在线辨识,并采用Lyapunov方法证明了闭环系统的稳定性;仿真结果表明,该控制策略保证了机械臂系统对期望轨迹的快速跟踪,具有良好的跟踪精度,系统具有稳定性。     

力矩受限的柔性空间机器人模糊神经网络自适应跟踪控制及振动抑制

针对力矩受限和存在参数不确定情况下,自由漂浮柔性空间机器人（FFFSR）关节轨迹跟踪控制与柔性振动抑制的问题,利用奇异摄动法将系统分解为关节轨迹跟踪的慢变子系统和描述柔性振动的快变子系统,进而提出含慢、快变控制项的组合控制器。对于慢变子系统,设计一种无需模型的模糊径向基函数（RBF）神经网络（FRBFNN）自适应跟踪控制方案,利用神经网络观测器估计关节角速度信息,并对系统的未知非线性函数进行逼近;对于快变子系统,采用扩张状态观测器（ESO）对不易测量的柔性模态坐标导数和不确定扰动进行估计,并结合线性二次调节器（LQR）方法抑制柔性振动。数值仿真结果表明,当控制力矩限制在±20 N·m和±10 N·m范围内时,该组合控制器能够在2.5 s实现稳定的关节轨迹跟踪,并将柔性振动幅值限制在±1×10^-3 m内。     

一类状态/输入受限的不确定非仿射非线性系统 鲁棒自适应backstepping控制

针对一类状态/输入受限的不确定严格反馈非仿射非线性系统跟踪控制问题,提出一种鲁棒自适应backstepping控制策略.在保证系统精度的前提下,对状态/输入受限的非仿射系统进行Taylor级数在线展开,得到其仿射形式;为保证系统复合扰动在线准确逼近,提出基于投影算子的递归扰动模糊神经网络干扰观测器(RPFNNDO);在考虑不确定系统存在状态受限和输入饱和等因素下,结合障碍Lyapunov函数、tanh函数及Nussbaum函数,利用backstepping方法设计控制器,并采用Lyapunov稳定理论分析闭环系统稳定性.应用于无人机航迹控制的仿真结果验证了所提方法的有效性.     

基于补偿控制的无人地面车辆轨迹跟踪方法

:针对无人地面车辆轨迹跟踪精度不高,鲁棒性差的问题,提出了一种基于补偿控制的算法;该算法分为运动学和动力学两部分:基于方向角调整策略的运动学控制律能确保无人地面车辆有效跟踪参考轨迹;基于PD与模型参考模糊滑模自适应控制相结合控制的动力学控制律能有效补偿建模不精确和外界扰动带来的影响;仿真结果表明:该算法能够有效跟踪参考轨迹,控制量分配合理且鲁棒性较好.     

非完整约束移动机器人的轨迹跟踪控制

针对非完整约束移动机器人运动学与动力学模型,根据轨迹跟踪控制目标的需要,设计了一种简单的控制器,该控制器结合了运动学控制器设和动力学控制器两部分;针对运动学模型,采用自适应算法对其未知参数进行估计,针对系统动力学模型,采用单层神经网络算法克服未知扰动对系统稳定性的影响,使速度误差尽可能地缩小;在Lyapunov稳定性理论的基础上证明了系统的收敛性和稳定性,该控制算法简单有效,易于实现;仿真结果表明:该控制策略可以实现对移动机器人期望轨迹的稳定跟踪,验证了算法的有效性。     

柔性臂漂浮基空间机器人建模与轨迹跟踪控制

利用拉格朗日法和假设模态方法建立了末端柔性的两臂漂浮基空间机器人的非线性动力学方程．通过坐标变换,推导出一种新的以可测关节角为变量的全局动态模型,并在此基础上运用基于模型的非线性解耦反馈控制方法得到关节相对转角与柔性臂的弹性变形部分解耦形式控制方程．最后,讨论了柔性臂漂浮基空间机器人的轨迹跟踪问题,并通过仿真实例计算,表明该模型转换及控制方法对于柔性臂漂浮基空间机器人末端轨迹跟踪控制的有效性．     

A scheme for robust trajectory control of space robots

This paper presents a scheme for robust trajectory control of free-floating space robots. The idea is based on the overwhelming robust trajectory control of a ground robot on a flexible foundation and robust foundation disturbance compensation presented elsewhere. No external jets/thrusters are required or used in the scheme. An example of a three-link robot mounted on a free-floating space platform is considered for demonstrating the efficacy of the control scheme. Bond graph technique has been used for the purpose of modeling and simulation. Robustness of the control scheme is guaranteed since the controller does not require the knowledge of the manipulator parameters.     

Reaction torque control of redundant free-floating space robot

This paper presents the reaction torque based satellite base reactionless control or base disturbance minimization of a redundant free-floating space robot. This subject is of vital importance in the study of the free-floating space robot because the base disturbance minimization will result in less energy consumption and prolonged control application. The analytical formulation of the reaction torque is derived in this article, and the reaction torque control can achieve reactionless control and satellite base disturbance minimization. Furthermore, we derive the reaction torque based control of the space robot for base disturbance minimization from both the non-strict task priority and strict task priority control strategy. The dynamics singularity in the proposed algorithm is avoided in this paper. Besides, a real time simulation system of the space robot under Linux/real time application interface (RTAI) is developed to verify and test the feasibility and reliability of the method. The experimental results demonstrate the feasibility of online reaction torque control of the redundant free-floating space robot.     

A Differentially Flat Open-Chain Space Robot with Arbitrarily Oriented Joint Axes and Two Momentum Wheels at the Base

The motion of a free-floating space robot is characterized by the principle of conservation of angular momentum. It is well known that these angular momentum equations are nonholonomic, i.e., are nonintegrable rate equations. If the base of the free-floating robot is partially actuated, it is difficult to determine joint trajectories that will result in point-to-point motion of the entire robot system in its configuration space. However, if the drift-less system associated with the angular momentum conservation equations is differentially flat, point-to-point maneuvers of the free-floating robot in its configuration space can be constructed by properly choosing trajectories in the differentially flat space. The primary advantages of this approach is that it avoids the use of nonlinear programming (NLP) to solve the nonintegrable rate equations, which at best can provide only approximate solutions. A currently open research problem is how to design a differentially flat space robot with under-actuated base. The contributions of this technical note are as follows: i) study systematically the structure of the nonholonomic rate constraint equations of a free-floating open-chain space robot with two momentum wheels at the base and arbitrarily oriented joint axes; ii) identify a set of sufficient conditions on the inertia distribution under which the system exhibits differential flatness; iii) exploit these design conditions for point-to-point trajectory planning and control of the space robot.     

自由漂浮空间机器人的笛卡尔连续路径规划

对于自由漂浮空间机器人,位置级逆运动学方程不适合于笛卡尔连续路径的规划,而且机械臂的运动会对基座产生扰动.为此提出了基于速度级逆运动学方程的方法,可实现5个目标:1)惯性空间连续位姿跟踪;2)基座姿态无扰动的连续位置跟踪;3)基座姿态无扰动的连续姿态跟踪;4)基座姿态调整的连续位置跟踪;5)基座姿态调整的连续姿态跟踪.采用阻尼最小方差法回避动力学奇异,所规划的路径连续平滑.仿真结果表明了该方法的有效性.     

漂浮基柔性空间机械臂姿态与关节协调运动的Terminal滑模控制

讨论了载体位置无控、姿态受控情况下,具有外部扰动的漂浮基柔性空间机械臂载体姿态与各关节协调运动的控制问题．基于假想模态法、系统动量守恒关系及拉格朗日方法,建立了漂浮基柔性空间机械臂系统的动力学方程,并将其转化为系统控制状态方程．以此为基础,根据Terminal滑模控制技术,给出了系统相关Terminal滑模面的数学表达式,在此基础上提出了具有外部扰动情况下漂浮基柔性空间机械臂载体姿态与各关节协调运动的Terminal滑模控制方案．提出的控制方案不但确保了闭环系统滑模阶段的存在性,同时通过Terminal滑模函数的适当选取,还保证了输出误差在有限时间内的收敛性．此外,由于确保了无论何种情况下系统初始状态均在Terminal滑模面上,从而消除了其它滑模控制方法常有的到达阶段,使得闭环系统具有全局鲁棒和稳定性．一个平面两杆漂浮基柔性空间机械臂的系统数值仿真,证实了方法的有效性．     

漂浮基双臂空间机器人系统的模糊神经网络自学习控制

讨论了载体位置、姿态均不受控制的情况下自由漂浮双臂空间机器人系统的高斯基模糊神经网络自 学习控制问题．此类空间机器人系统严格遵守动量守恒和角动量守恒,所以其动力学方程表现出强烈的非线性性 质．将神经网络与模糊控制相结合,即利用神经网络进行模糊推理, 可使模糊控制具有自学习能力．在此基础上, 设计了双臂空间机器人系统关节空间的高斯基模糊神经网络自学习控制方案．系统的数值仿真证实了该方法的有 效性．     

Dynamics and Noncollocated Model‐Free Position Control for a Space Robot with Multi‐Link Flexible Manipulators

In this paper, both the dynamics and noncollocated model‐free position control (NMPC) for a space robot with multi‐link flexible manipulators are developed. Using assumed modes approach to describe the flexible deformation, the dynamic model of the flexible space robotic system is derived with Lagrangian method to represent the system dynamic behaviors. Based on Lyapunov's direct method, the robust model‐free position control with noncollocated feedback is designed for position regulation of the space robot and vibration suppression of the flexible manipulators. The closed‐loop stability of the space robotic system can be guaranteed and the guideline of choosing noncollocated feedback is analyzed. The proposed control is easily implementable for flexible space robot with both uncertain complicated dynamic model and unknown system parameters, and all the control signals can be measured by sensors directly or obtained by a backward difference algorithm. Numerical simulations on a two‐link flexible space robot are provided to demonstrate the effectiveness of the proposed control.     

Cooperative Control of a 3D Dual-Flexible-Arm Robot

This paper discusses cooperative control of a dual-flexible-arm robot to handle a rigid object in three-dimensional space. The proposed control scheme integrates hybrid position/force control and vibration suppression control. To derive the control scheme, kinematics and dynamics of the robot when it forms a closed kinematic chain is discussed. Kinematics is described using workspace force, velocity and position vectors, and hybrid position/force control is extended from that on dual-rigid-arm robots. Dynamics is derived from constraint conditions and the lumped-mass-spring model of the flexible robots and an object. The vibration suppression control is calculated from the deflections of the flexible links and the dynamics. Experiments on cooperative control are performed. The absolute positions/orientations and internal forces/moments are controlled using the robot, each arm of which has two flexible links, seven joints and a force/torque sensor. The results illustrate that the robot handled the rigid object damping links' vibration successfully in three-dimensional space.     

柔性空间机器人振动抑制轨迹规划算法

本文首次提出了一个描述柔性空间机器人振动的可直接计算的激振力指标，进 而提出了柔性空间机器人抑振轨迹规划算法．该算法采用均匀非周期四阶B样条描述机器人 的运动轨迹，B样条的控制点作为优化参数，使用改进的微粒群优化算法，以激振力为性能 指标对轨迹进行优化求解．该方法根据激振力指标而不是待定轨迹的控制结果来判定轨迹的 抑振性能，极大地简化了规划过程．对柔性双臂空间该机器人的抑振轨迹规划仿真，表明优 化轨迹取得了良好的振动抑制效果，证明了算法的有效性．