基于强跟踪H-/H∞优化的无人机系统故障检测

针对一类无人机飞行控制系统故障检测问题,提出基于强跟踪H_-/H_∞优化的故障检测方法。将无人机飞行控制系统的执行器与传感器故障描述为加性信号,在考虑风扰动的情况下,建立无人机纵向飞行控制系统的非线性故障模型。将残差产生器的设计归结为扩展H_-/H_∞最优问题。受强跟踪滤波器的快速收敛性的启发,在设计故障检测滤波器时将强跟踪滤波器与扩展H_-/H_∞最优问题相结合实现无人机飞行控制系统的快速故障检测。以无人机升降舵部分失效故障与空速管堵塞故障为例进行仿真试验。结果表明,提出的方法能够快速实现无人机飞行控制系统的故障检测。基于强跟踪H_-/H_∞优化的故障检测方法可用于无人机飞行控制系统的故障检测。     

周期拒绝服务干扰攻击下信息物理系统的H∞控制

针对恶意拒绝服务（DoS）干扰攻击对信息物理系统（CPS）正常运行的影响,研究DoS干扰攻击下某类CPS的H_∞控制问题. 能量受限的DoS干扰者采用周期型攻击策略攻击CPS中的无线信道,迫使无线信道的通信质量下降;CPS的无线信道存在由固有因素引起的随机数据包丢失,且由于恶意网络攻击具有突发性和隐蔽性的特点,DoS干扰者的攻击策略是未知的. 将恶意DoS干扰攻击和无线信道固有因素对信道通信质量的影响表示为统一形式,并通过建立攻击容忍机制和基于观测器的控制策略,得到保证受攻击CPS在未知攻击者具体攻击策略的情况下能够实现指数均方稳定且满足预期H_∞性能指标的充分条件,将H_∞控制器的设计问题转化为凸优化问题的求解. 利用数值仿真验证所提出控制策略的正确性和有效性.     

V-Gap度量磁悬浮推力轴承系统H∞控制器设计

磁悬浮压缩机变叶尖间隙喘振控制策略的实现,需要推力轴承系统控制转子精确跟踪轴向位置以及应对轴向载荷多变的问题。为保证磁悬浮推力轴承系统鲁棒控制器能够满足一定的位置跟踪和抗干扰性能,对磁悬浮推力轴承系统建模,将V-Gap度量与广义稳定裕度评价结合设计H_∞控制器。介绍了V-Gap度量和广义稳定裕度,对推力轴承系统建模利用V-Gap度量定量分析系统参数不确定性对被控对象的影响程度;在混合灵敏度H_∞控制基础上,提出以广义稳定裕度为稳定性要求的控制器设计方法,并试验验证该方法合理性。研究结果表明:设计后控制器具有更好的鲁棒性及位置跟踪性能。     

液压驱动双足机器人运动系统的设计及实现

提出了一种具有负重能力的8自由度液压驱动双足机器人运动系统。与具有相同负重能力的电驱动双足机器人相比,该机器人体积小、负重能力强、动态性好。由于机器人在空载的情况下,质量主要集中在腿部,提出了一种机器人动态步行时,对质量分布没有限制的机器人侧向平面内保持动态平衡的控制方法,克服了传统倒立摆模型要求忽略机器人腿部质量这一约束,扩大了其适用范围。在多体动力学仿真软件ADAMS环境下对仿真模型进行负重仿真试验和物理样机的空载试验,验证了该液压驱动双足机器人运动系统的有效性。     

磁悬浮旋翼驱动磁场对支承磁场的影响

通过理论分析以及有限元仿真分析,研究磁悬浮旋翼盘式电机的驱动磁场、磁悬浮系统的支承磁场以及二者之间的相互影响,得到影响的主要因素L₀。提出当关键临界尺寸L₀=11.87 mm时,驱动磁场对支承磁场的影响处于临界状态使其不失稳。通过等效试验对临界尺寸进行了试验验证。根据临界尺寸L₀提出磁悬浮旋翼的设计准则,和一套可行的磁悬浮旋翼设计方案。     

磁悬浮旋翼驱动磁场对支承磁场的影响

通过理论分析以及有限元仿真分析，研究磁悬浮旋翼盘式电机的驱动磁场、磁悬浮系统的支承磁场以及二者之间的相互影响，得到影响的主要因素L₀。提出当关键临界尺寸L₀=11.87 mm时，驱动磁场对支承磁场的影响处于临界状态使其不失稳。通过等效试验对临界尺寸进行了试验验证。根据临界尺寸L₀提出磁悬浮旋翼的设计准则，和一套可行的磁悬浮旋翼设计方案。     

多轴转向车辆转向系统的H2／H∞混合控制

推导了多轴转向车辆三自由度动力学模型,用Matlab软件和H2/H∞优化控制理论,设计了三自由度多轴转向车辆横摆率跟踪控制的H2/H∞混合最优控制器,建立了理想跟踪目标模型.以三轴转向车辆为对象,分析了该控制器对多轴转向车辆转向性能的影响.仿真分析结果表明,H2/H∞混合最优控制器使得多轴转向车辆具有很好的系统性能,同时保持了良好的鲁棒性能,提高了车辆的转向性能,保证了多轴转向车辆的安全性和操纵稳定性.     

六腿滚动式奔跑机器人的控制器设计

讨论了一种欠驱动六腿滚动式奔跑机器人的控制律设计问题.考虑存在外部干扰和模型参数不确定的影响,在机器人俯仰和横滚2个方向上分别提出了鲁棒H_∞最优和滑模变结构控制策略.首先,对机器人俯仰和横滚2个方向上分别建立动力学模型,并通过线性化近似转化为状态空间方程;其次,设计鲁棒H_∞最优控制器和滑模变结构控制器,以考虑机器人模型的参数不确定性,并对外部干扰进行有效抑制;最后通过数值仿真进行了验证.     

3-RPS并联机器人动力学分析及模糊控制仿真

为研究并联机器人驱动位移轨迹跟踪控制精度,更好地对机构进行有效的实时控制,以3-RPS并联机器人的动平台以及各支链为研究对象进行了动力学分析.应用牛顿-欧拉方法,分析了该并联机器人三支链对动平台的驱动力、约束力矩以及动平台对三支链的作用力,构建了动力学方程.基于Matlab仿真软件,采用液压伺服驱动方式及模糊控制算法,构建模糊控制仿真模型进行了仿真分析.仿真结果证明了牛顿-欧拉方法对3-RPS并联机器人动力学分析的正确性及模糊控制方法的有效性,为进一步利用Matlab对3-RPS并联机器人轨迹跟踪控制研究提供了一定的理论基础.     

用于精密微装配的全方位微小机器人

研制出了一种90 mm×60 mm×85 mm，可用于精密微装配作业的全方位微小型机器人，机器人集成了移动定位单元与精密微操作单元，移动定位单元由微型电机驱动的快速宏运动单元与压电陶瓷驱动的精密微运动单元两部分组成，最大宏运动速度为50 mm/s，开环定位精度1 mm，微运动最大速度200 μm/s，开环定位精度1 μm，分辨率为50 nm；微操作单元由压电陶瓷驱动的球基微驱动器与微夹持器两部分组成，微驱动器转动分辨率为0.000 1°，定位精度为0.000 5°，微驱动器金属球可以实现空间复杂的扫描运动，同时带动微夹持器末端实现精密定位，微夹持器采用压电陶瓷驱动的两级杠杆放大机构，末端最大张合位移为280 μm，最大微夹持力为0.1 N.开发了基于视觉反馈的微装配作业控制系统，并在视觉的引导下，实现了机器人对微型齿轮、微型轴/孔等元件的夹取、搬运等微作业任务，并顺利完成了Φ180 μm微型轴与Φ200 μm微型孔之间的精密装配实验研究.     

柔体动力学模型的机器人柔性力矩前馈控制

为解决机器人由于结构复杂、关节耦合以及控制的非线性时变等因素给其带来的动态响应迟滞,以及关节的柔性因素引起的机械谐振的问题,改进了刚体前馈力矩补偿方法,提出了基于柔体动力学模型的柔性力矩前馈补偿控制。该方法通过建立机器人柔性关节的动力学模型,辨识得到柔性关节的扭转刚度参数以及最小惯性参数,获取更为准确的柔性因素下的预设轨迹的位置、速度、加速度信息,从而计算出柔性关节下所需的力矩值;将计算值作为前馈量,以周期为T的形式发送到伺服驱动器的底层,实时刷新驱动器,采用补偿的形式与电流环输出量进行叠加,从而实现机器人的柔性控制,使得机器人末端振动加速度幅值下降60%,提高了定位精度。实验验证了柔体动力学模型的机器人柔性力矩前馈控制的工程应用价值。     

基于Kriging模型的工业机器人定位精度补偿方法

定位精度是影响工业机器人性能的重要指标之一。为提高工业机器人的绝对定位精度,本文提出一种基于Kriging模型的定位精度补偿方法。根据工业机器人末端的名义位置和实际位置,计算不同点处的定位误差,并建立名义位置与定位误差之间的Kriging模型。然后,采用建立的Kriging模型,预测工业机器人在不同位置的定位误差,从而对工业机器人进行定位精度补偿。最后,利用KUKA KR150-2型机器人,结合该机器人位姿误差模型对提出的定位精度补偿方法进行验证。结果表明,补偿后工业机器人的绝对定位精度得到有效改善,其最大定位误差从1.989 4 mm降为0.008 4 mm,证明了本方法的可行性和有效性。     

轮毂电机电动汽车主动悬架约束状态反馈H∞控制

为了控制轮毂电机偏心和其他不可预见因素对电动汽车平顺性的影响,研究了主动悬架约束状态H_∞控制对轮毂电机电动汽车随机路面平顺性改善问题。基于标准状态反馈H_∞控制,建立了约束状态反馈H_∞控制的线性矩阵不等式表示。考虑路面和电机偏心共同作用建立了包含主动悬架的轮毂电机电动汽车四自由度平面模型,实现了轮毂电机电动汽车主动悬架约束状态反馈H_∞控制设计。应用Matlab/Simulink开发了轮毂电机电动汽车主动悬架约束状态反馈H_∞控制仿真模型,通过其实现了主动悬架和被动悬架的随机路面平顺性仿真与比较。研究结果表明,轮毂电机偏心会影响主动悬架的改善能力,主动悬架约束状态反馈H_∞控制改善了轮毂电机电动汽车随机路面平顺性。     

变插值周期五次多项式机器人关节空间规划

为了控制机器人平稳、精确地到达示教点,对机器人关节空间五次多项式插值函数进行了研究,提出了变插值周期的插值方法。将该插值算法应用于四自由度工业机器人,建立了基于D-H(Denavit-Hartenberg)坐标系的正逆运动学方程,并在运动控制系统中实现算法。通过示教得到始末点位姿,调用算法程序控制机器人到达示教终点。采集各轴编码器反馈脉冲值并计算得到各轴频率和加速度曲线,使用加速度传感器和百分表分别测试末端执行器运动速度和机器人的重复定位精度。试验结果表明:各轴频率和加速度曲线符合五次多项式函数速度、加速度曲线变化趋势,末端执行器速度变化连续,机器人运行平稳,重复定位精度为0.01mm。     

精密装配用并联机器人标定及机构误差分析

为了提高手机摄像头的装配精度,设计开发一款用于精密装配的小型并联机器人,并对机器人进行标定以及机构误差分析.用数值方法推导机器人的正逆运动学模型和误差模型,并探讨机器人运动学模型和误差补偿模型衔接的问题;设计在桥式三座标测量机上进行测量标定的方法,并对机器人进行标定实验;从机构角度对机器人的间隙误差来源进行分析,分析机器人构型对间隙误差的约束,并对机器人进行重复定位精度测试.经过标定及机构误差控制,机器人位姿坐标的最大位移误差由0.345 9 mm降为0.012 1 mm,最大转角误差由0.007 3 rad降为0.001 1 rad,重复定位精度为0.004 8 mm.实验结果表明该标定方法及机构误差分析方法能有效提高机器人的精度.     

液压驱动四足仿生机器人的结构设计和步态规划

论文主要介绍了山东大学机器人研究中心研发的液压驱动四足仿生机器人。目的是设计能够适应复杂地形环境,具有高动态、高负载能力的液压驱动四足机器人。基于骡／马的生物仿生,构造了具有被动结构、基于液压驱动的四足机器人腿关节结构,满足了机器人稳定控制和高负载能力的需要。基于四足机器人的运动学和逆运动学模型,规划了机器人稳定的对角小跑动步态。实际液压驱动四足机器人平台的实验验证表明了机器人结构设计的合理性和步态规划的有效性。     

有挠性驱动单元的双足机器人研制与步行实验

为减缓机器人脚底冲击,设计、研制带有挠性驱动的10自由度仿人双足机器人,该机器人髋关节俯仰关节由FDU-II型挠性驱动单元驱动;搭建FDUBR-I型仿人双足机器人控制系统硬件和软件,组建上位机与两块运动控制卡的交换式以太网络用来实现上位机与运动控制卡的实时通信,该控制系统包括FDU-II型挠性驱动单元的张力反馈和关节全闭环控制子系统;进行FDUBR-I型仿人双足机器人稳定步行实验,验证FDU-II型挠性驱动单元对机器人髋关节的驱动能力以及基于黏弹性动力学模型反馈的关节全闭环和张力反馈控制器的控制效果,机器人在0.1 km/h的步速下实现双足稳定步行.     

肌腱/绳驱动连续体机器人研究现状与展望

为了促进肌腱/绳驱动连续体机器人的理论发展和实际应用,从建模方法和控制策略2个方面分析并总结了现有研究成果。首先,介绍了常用肌腱/绳驱动连续体机器人的结构设计方法和发展趋势。在此基础上,总结了肌腱/绳驱动连续体机器人常用的运动学建模和动力学建模方法,并从建模原理、模型精度、复杂度和计算效率等方面对各种方法进行了对比,为不同应用场景下肌腱/绳驱动连续体机器人建模方法的选择提供了参考。其次,梳理了肌腱/绳驱动连续体机器人控制中存在的模型失配、参数扰动和动态响应等问题产生的原因,以问题为导向,将现有控制策略分为基于模型控制、无模型控制和混合控制3类,并对每种控制策略在开环和闭环应用场景中的实施方法、优缺点和发展趋势进行了归纳总结。最后,指出了肌腱/绳驱动连续体机器人在建模和控制方面还存在的研究挑战,并对其未来的发展方向进行了展望。     

电驱动机械臂的自抗扰鲁棒哈密顿跟踪控制

针对永磁同步电机驱动机械臂系统的位置跟踪问题提出了自抗扰控制与哈密顿控制相结合的鲁棒控制策略。首先,建立了考虑不确定性的电气子系统和机械子系统模型,依据独立关节控制思想将模型转化为单电机驱动单关节的端口哈密顿结构;其次,设计级联扩张状态观测器估计机械子系统的总扰动,设计控制律实现期望位置鲁棒跟踪的同时简单有效地获取到期望的q轴电流I~*_qi;最后,基于系统哈密顿结构设计互联和阻尼配置哈密顿控制器与H_∞控制器相结合的鲁棒哈密顿控制器,实现对电流的高精度鲁棒跟踪,并通过适当改进H_∞的引入时机改善了初始控制输入过大的问题。与电驱动机械臂系统无模型自抗扰控制的仿真对比结果验证了所提控制方案的有效性,级联ESO与传统ESO相比,关节位置跟踪精度提升了0.003 rad,改进的鲁棒哈密顿控制器与哈密顿控制器相比关节位置跟踪精度提升了0.005 rad,电流跟踪精度显著提升,改进H_∞的引入时机使初始控制输入显著降低。     

嵌套Z轴式水下矢量推进系统建模与特性分析

为提高矢量推进系统的水密性和承载能力,提出一种内、外嵌套Z轴机构,实现螺旋桨的矢量推进. 建立矢量推进系统运动学模型,获得矢量轴偏转角与内、外Z轴转角的关系. 推导驱动电机偏转角反解公式,搭建Simulink与ADAMS联合仿真模型. 将反解结果代入仿真模型,仿真矢量轴偏转过程. 通过对比仿真曲线与理论分析结果,检验模型的正确性. 分析矢量推进系统偏转过程中运动副的力学特性,结果表明：基于反解数据仿真得到的矢量轴偏转角与给定结果吻合程度较高,在矢量轴偏转过程中,内、外Z轴偏转电机上的驱动力矩呈周期性变化,且幅值随着偏转角度的增大而逐渐增大.