基于反步法与参考模型的四旋翼飞行器自适应滑动模态控制

针对欠驱动四旋翼飞行器的姿态和位置控制问题,提出一种基于反步法与参考模型的自适应滑模控制器设计方法。首先,对四旋翼飞行器进行动力学建模,对结构上进行了重构后将系统分解为全驱动通道和欠驱动通道。进而,以滑模变结构控制理论为基础,针对欠驱动子系统,利用反步控制方法推导出滑模控制面,设计其控制律。而对于全驱动子系统,利用参考模型推导出滑模控制面,设计其控制律。并通过李雅普诺夫稳定性理论验证了系统的稳定性。最后,通过Matlab对基于此控制算法的控制器进行仿真。仿真结果表明,在系统存在参数不确定性和外部干扰的情况下,该方法也能实现四旋翼飞行器的轨迹跟踪,并具有较好的稳定性。     

基于曲率控制的球形移动机器人路径跟踪

基于曲率的控制方法,对非完整约束条件下的欠驱动球形机器人进行了路径跟踪问题的研究.建立了非完整约束条件下具有正交的两输入球形机器人的运动学和动力学模型,并通过输入变换得到一个两输入的二阶系统.基于非线性滑模控制方法分别设计了横向姿态控制器和纵向速度控制器.提出了一种曲率控制器,实现了球形机器人的路径跟踪.仿真和实验结果表明,系统的运动状态能够收敛到期望的邻域内,验证了控制方法的有效性.     

轻工业包装物品搬运机器人路径跟踪控制

目的 为了提高直角坐标搬运机器人的定位精度,保证机器人能够按照预定路径运动。方法 介绍直角坐标机器人工作原理,并基于模糊控制理论,提出一种基于模糊PID的直角坐标机器人轨迹跟踪控制算法,并将其应用于机器人运动轨迹跟踪控制中。结果 仿真和实验结果表明,基于模糊PID的机器人控制器能够保证机器人沿预定路径运动,机器人轨迹跟踪误差能够很快收敛于0附近,该轨迹跟踪方法具有较好的抗干扰性和鲁棒性。结论 所提方法能够明显提高直角坐标机器人的路径跟踪能力,对于提升机器人运动精度具有参考价值。     

应用于圆饼工件分拣的码垛机器人自适应积分滑模控制

目的 针对存在系统未建模特性和负载变化下码垛机器人关节空间轨迹跟踪控制的问题,设计一种基于结合时延估计技术与自适应积分滑模面的控制策略。方法 根据圆饼工件分拣需求,设计一款桌面式码垛机器人系统,推导机器人的运动学与动力学模型,给出关节空间轨迹规划算法,并基于无模型思想设计关节空间轨迹跟踪控制器。结果 利用雅克比伪逆法可反解出机器人的关节角;通过所提的轨迹规划算法能有效获得各关节运动轨迹;与PID控制器和积分滑模控制器相比,文中所提控制器具有较好的控制精度、较强抗干扰性和较高的鲁棒性。结论 仿真和实验结果表明,所设计的基于时延估计技术的自适应积分滑模控制器是合理的,能使得码垛机器人完成圆饼工件的分拣任务,具有一定的工程应用价值。     

一种柔索并联机器人的动力学建模与主动控制

柔索并联机器人采用柔索代替连杆作为机器人的驱动元件，它结合了并联结构和柔索驱动的优点。500m口径大射电望远镜（FAST）粗调系统是通过六根索长的协调变化使馈源舱作跟踪射电源的六自由度运动，其工作特点类似并联机器人，因此也被看作柔索并联机器人。基于FAST5m缩比实验模型，首先进行了逆运动学分析；其次，采用拉格朗日方程建立了柔索并联机器人的逆动力学模型；最后，针对结构特点模拟作用在馈源舱上的随机风荷，设计了用模糊控制器自动调整免疫系统反馈规律的免疫PID控制器来控制馈源轨迹跟踪的风振响应。数值结果验证了该主动控制策略能够有效衰减风荷振动，从而提高了馈源轨迹跟踪精度。     

一种FFFSR轨迹跟踪及振动抑制的改进预测控制方法

讨论了动力学约束和有界扰动条件下,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。提出一种基于预测控制的优化控制器设计方法,分别设计了跟踪控制器和轨迹规划器。跟踪控制器采用广义预测控制方法,生成使机械臂快速稳定跟踪期望轨迹的优化控制律;改进常规获取期望轨迹的柔化控制方法,设计基于约束预测控制方法的轨迹规划器,综合考虑动力学约束与柔性振动抑制,实时为跟踪控制器生成由初始位置到目标位置的优化期望轨迹,确保机械臂快速稳定跟踪到目标位置,并有效抑制柔性振动。数值仿真结果验证了所设计控制策略的可行性与有效性。     

基于奇异摄动理论的电驱动机器人神经网络控制

在驱动回路电容较小的情况下,对电驱动刚性机器人操作手的轨迹跟踪问题,提出了一种基于奇异摄动理论的神经网络控制设计方法。稳定性分析表明系统跟踪误差最终一致有界,数值实验验证了所提的算法的可行性和有效性。     

基于反步法的四旋翼飞行器滑动模态控制

针对欠驱动四旋翼飞行器受控模型的复杂非线性问题,提出了一种基于反步的滑模控制器的设计方法。该方法将四旋翼飞行器动力学模型进行简化,并将系统分解为全驱动子系统和欠驱动子系统,进而以滑模变结构控制理论为基础,利用反步控制方法推导出滑模控制面,分别为上述两个子系统设计控制律,为系统设计基于反步的滑模控制器。通过李雅普诺夫稳定性理论验证了用上述方法设计的控制器系统的稳定性。通过Matlab/Simulink进行的仿真表明,用上述方法设计的控制器能够有效实现对四旋翼飞行器的控制。     

平面欠驱动柔性机械臂的PSO轨迹优化与自抗扰振动抑制EI北大核心CSCD

针对平面单连杆柔性机械臂(planar single-link flexible manipulator,PSLFM)的振动抑制及稳定控制问题,提出一种基于粒子群优化(particle swarm optimization,PSO)算法的轨迹优化与自抗扰控制方法,实现机器人末端执行器从任意初始位置移动到目标位置,并且抑制住由柔性连杆引起的弹性振动。首先,基于假设模态法建立柔性机械臂的动力学模型,并对该模型的欠驱动特性进行分析,得到驱动变量与欠驱动变量之间的状态约束关系。其次,基于该约束关系,运用双向轨迹规划方法为驱动变量分别规划一条前向轨迹和一条反向轨迹。然后,采用粒子群算法对轨迹参数进行优化,确保两条轨迹平滑地拼合成一条完整轨迹。最后,设计自抗扰跟踪控制器使机械臂存在外部扰动和角速度不可测情况下精确地跟踪优化的轨迹,实现机械臂的振动抑制与稳定控制。仿真与对比结果表明,所提控制方法具有更好的振动抑制效果及鲁棒性。     

基于部分反馈线性化的三杆体操机器人控制策略

针对复杂的非线性欠驱动三杆体操机器人系统,提出了一种基于部分反馈线性化的控制策略.首先,将三杆体操机器人的运动空间分为两个区域:摇起区和平衡区,然后,在摇起区利用部分反馈线性化设计摇起控制器,对第二杆与第三杆进行联动控制,确保欠驱动三杆体操机器人迅速摆起,并且摆起后第二杆和第三杆自然伸展;进入平衡区后,采用基于线性二次型调节器(LQR)的平衡控制器,将系统稳定在竖直向上的位置,实现系统控制目标.仿真结果验证了该控制策略的有效性.     

Control of Velocity-Constrained Stepper Motor-Driven Hilare Robot for Waypoint Navigation

Finding an optimal trajectory from an initial point to a final point through closely packed obstacles, and controlling a Hilare robot through this trajectory, are challenging tasks. To serve this purpose, path planners and trajectory-tracking controllers are usually included in a control loop. This paper highlights the implementation of a trajectory-tracking controller on a stepper motor-driven Hilare robot, with a trajectory that is described as a set of waypoints. The controller was designed to handle discrete waypoints with directional discontinuity and to consider different constraints on the actuator velocity. The control parameters were tuned with the help of multi-objective particle swarm optimization to minimize the average cross-track error and average linear velocity error of the mobile robot when tracking a predefined trajectory. Experiments were conducted to control the mobile robot from a start position to a destination position along a trajectory described by the waypoints. Experimental results for tracking the trajectory generated by a path planner and the trajectory specified by a user are also demonstrated. Experiments conducted on the mobile robot validate the effectiveness of the proposed strategy for tracking different types of trajectories.     

基于可拓自适应理论的三轴并联机器人控制系统设计

为了提高并联机器人的轨迹跟踪控制精度,以平面二自由度并联机器人为研究对象,构建了一种可拓自适应控制器用于其控制系统中.利用自适应控制器善于处理不变和慢时变问题,可拓控制器善于处理时变和突变问题,将2种控制器的优点结合起来,设计了一种新型的可拓自适应控制器.仿真结果表明,可拓自适应控制器能较大地提高并联机器人关节位置精度和末端执行器的轨迹精度,能够满足机器人的控制要求.研究所得的方法和结论具有较强的通用性,对并联机器人的控制具有普遍的应用意义．     

面向大型机场草坪的割草机器人路径规划及轨迹跟踪控制研究

为了提高割草机器人的工作效率及环境适应能力,基于移动机器人平台设计了一种既受遥控操作又能自主运行的适用于大型机场草坪作业的割草机器人。首先,运用高精度差分GPS（global positioning system,全球定位系统）采集机场草坪边界和障碍物的位置信息,根据采集的信息将机场草坪分为最少数目的凸多边形工作区域;考虑到割草机器人无法原地无半径转弯,在传统迂回式路径规划算法的基础上提出一种往返直线型路径规划算法,并在凸多边形路径规划区内推导出遍历路径的显示方程表达式。其次,运用高精度差分GPS测得割草机器人实际轨迹并与规划轨迹对比,设计了一种区间判断型轨迹纠偏算法;以执行电机的PID（proportion integration differentiation,比例积分微分）控制和区间判断型轨迹纠偏算法构造割草机器人双闭环轨迹跟踪控制器,对按传统迂回式路径和往返直线型路径行进的割草机器人进行轨迹跟踪仿真分析。最后,以自制的割草机器人为例,按往返直线型路径运行方式进行样机实验。仿真结果发现：当割草机器人跟踪当前路径到达终点后会自动调头跟踪下一条路径,验证了轨迹跟踪算法的稳定性;传统迂回式路径运行方式下割草机器人的漏割率较高,达到46.42%,而往返直线型路径运行方式下其漏割率为7.15%,明显优于传统迂回式路径仿真结果。样机实验测得的漏割率为8.89%,与仿真实验结果一致,表明所设计的轨迹跟踪算法对大型机场草坪作业割草机器人是适用的。研究结果可为大型机场草坪割草机器人的开发提供理论指导。     

基于模糊迭代Q-学习的冶金工业机器人轨迹跟踪控制研究

冶金工业机器人在现代工业生产中扮演着越来越不可替代的角色。由于工业自动化程度的大幅提升,人们对冶金工业机器人的性能也不断地提出新要求,尤其是对其控制系统的稳定性提出了更高的要求。针对目前冶金工业机器人轨迹跟踪精度较低且不具有自适应动态调节特性等问题,提出了一种模糊迭代Q-学习控制算法。以6-DOF（six degree-of-freedom,六自由度）双臂机器人为研究对象,利用Fuzzy工具箱编写模糊控制规则,以机器人产生的位置误差以及位置误差的变化率为模糊控制器的输入量,并引入Q-学习策略,以调整模糊控制器中的量化因子、比例因子以及迭代学习控制中的PD（proportional derivative,比例微分）参数,完成模糊迭代Q-学习控制器的设计。然后,联合ADAMS（automatic dynamic analysis of mechanical systems,机械系统动力学自动分析）和MATLAB软件搭建6-DOF双臂机器人仿真平台,开展高精度轨迹跟踪的轴孔装配任务模拟。仿真结果表明,6-DOF双臂机器人关节空间的轨迹跟踪精度较高,同时可以完成双臂轴孔协调装配任务,验证了所提出控制算法的有效性和先进性。研究结果可为双臂协作机器人实现高精度轨迹跟踪的轴孔装配提供参考,具有一定的实际应用价值。     

姿态受控柔性臂空间机器人的自适应神经网络容错控制及残振抑制

针对执行器发生部分失效故障的漂浮基姿态受控柔性臂空间机器人系统,研究了执行器故障的容错控制及柔性臂杆残余振动的主动抑制。结合假设模态法、线动量守恒定理和第二类拉格朗日方程建立了系统的动力学微分方程。基于奇异摄动理论将系统分解为一个表征载体姿态与关节轨迹跟踪的慢变子系统和一个表征柔性臂杆残余振动的快变子系统;据此设计了由慢变子系统的自适应神经网络容错控制器与快变子系统的线性二次型最优调节器组成的复合控制器;其中,慢变子系统的容错控制器使得系统对执行器故障不敏感,保证了跟踪误差的渐进收敛;快变子系统的最优调节器可以有效地抑制柔性臂杆引起的残余振动,减少能量损耗。对比数值仿真校验了理论推导的正确性与复合控制策略的可行性。     

A set of decentralized PID controllers for an n – link robot manipulator

A class of stabilizing decentralized proportional integral derivative (PID) controllers for an n-link robot manipulator system is proposed. The range of decentralized PID controller parameters for an n-link robot manipulator is obtained using Kharitonov theorem and stability boundary equations. Basically, the proposed design technique is based on the gain-phase margin tester and Kharitonov??s theorem that synthesizes a set of PID controllers for the linear model while nonlinear interaction terms involve in system dynamics are treated as zero. The stability analysis of the composite system with the designed set of decentralized PID controllers is investigated by incorporating bounding parameters of interconnection terms in LMI formulation. From the range of controller gains obtained by the proposed method, a genetic algorithm is adopted to get an optimal controller gains so that the tracking error is minimum. Simulation results are shown to demonstrate the applicability of the proposed control scheme for solution of fixed as well as time-varying trajectory tracking control problems.     

Stable walking in a biped robot with force-feedback-induced center-of-mass regulation

We report on a novel ZMP feedback control strategy which regulates the center of mass trajectory of a robot based on the measured zero-moment point (ZMP). Based on the trajectory generated by preview control and the linear inverted pendulum model, the controller has an extra model-based control input which is driven by the center-of-mass (CoM) acceleration, which provides sensitive response to disturbance. Thus, the robot motion is balanced between the long-term nominal CoM/ZMP trajectory tracking and the short-term trajectory modification for disturbance rejection. In addition, the controller has two layers of adjustment strategy. When the disturbance is small, the robot is regulated by merely adjusting its CoM trajectory. In contrast, when the disturbance is large, the foot position of the robot is simultaneously changed to provide a more effective response with characteristics of larger intrinsic stability. The performance of the control strategy is also experimentally evaluated using a child-size biped robot.     

带滑移铰空间机器人惯性空间轨迹跟踪的鲁棒混合自适应控制

讨论了载体位置与姿态均不受控制的带滑移铰空间机器人的控制问题。为了克服空间机器人系统控制方程关于惯性参数的非线性性质,空间机器人被表示为欠驱动形式的机器人系统,其优点在于保持了系统动力学方程关于惯性参数的线性性质。对系统的运动学分析表明,联系机械手末端运动速度与机器人关节角速度的增广广义Jacobi关系,亦可以表示为一组惯性参数的线性函数。以此为基础,针对系统参数不确定的情况,设计了空间机器人跟踪惯性空间期望运动轨迹的鲁棒混合自适应控制方案。由于在上述系统运动学、动力学分析中耦合了系统动量守恒关系,提到的控制方案具有不需要测量、反馈空间机器人载体位置及移动的速度、加速度的优点;此外,由于上述控制方案仅在参考速度、加速度的计算中采取了参数调节方式,而在控制部分对不确定参数采用了保持鲁棒性的方法,有效地减少了计算量,有助于缓解机载计算机运算能力有限的矛盾。仿真运算,证实了方法的有效性。