一种基于有限时间稳定的环绕控制器设计

针对单无人机对单目标的环航跟踪问题,设计了一个能保证无人机在速度有界条件下,飞行轨迹快速收敛到期望航迹的控制器.1）根据无人机运动特性,设计了一个考虑目标运动状态的控制方案,并利用Lyapunov稳定性定理给出了系统渐近稳定的充分条件.2）结合饱和控制和有限时间控制,得到使无人机相对目标距离在有限时间内收敛到期望值的充分条件.3）用数值算例比较验证了所提控制器的有效性.     

输入饱和约束下多智能体的有限时间一致

为解决多智能体系统在有限时间跟踪控制过程中受输入饱和影响的问题, 本文研究了输入饱和约束下的 二阶线性多智能体系统的有限时间一致和跟踪控制. 首先在无向通信拓扑下, 利用齐次函数, 设计了基于单饱和函 数的有限时间一致和跟踪控制器. 然后, 应用李雅普诺夫稳定性理论和代数图论等方法证明了控制算法的稳定性. 最后, 给出了能够使多智能体系统实现有限时间一致和跟踪的充分条件. 仿真结果验证了当系统存在输入饱和约束 时, 控制器能使多智能体在有限时间内完成跟踪任务.     

航天器姿态跟踪有限时间饱和控制

针对卫星姿态跟踪系统, 在无扰动和有扰动的情况下, 利用双曲正切函数和辅助系统设计两个有限时间饱和控制器. 双曲正切函数可以严格地保证卫星姿态跟踪系统的控制输入是有界的. 通过李雅普诺夫理论可以证明, 系统在两个控制器的作用下既是渐近稳定的又是有限时间稳定的, 系统可以快速收敛到平衡点. 数值仿真进一步表明了所提出的有限时间控制器的有效性.

     

带执行器饱和的柔性关节机器人位置反馈动态面控制

针对带有执行器饱和的柔性关节机器人系统,提出一种位置反馈动态面控制,以实现机器人连杆的角位置跟踪.在一般动态面控制的设计框架下,设计观测器重构系统未知速度状态,利用径向基函数神经网络学习饱和非线性特性,结合“最小参数学习”算法减轻计算负担.通过Lyapunov方法证明得出闭环系统所有信号半全局一致有界,跟踪误差可以通过调节控制器参数达到任意小.仿真结果表明,控制系统能够克服外界干扰,有效补偿系统存在的执行器饱和,实现柔性关节机器人的准确跟踪控制.该方法避免了传统反演设计存在的“微分爆炸”现象,简化了设计过程.     

输入饱和下的非线性积分系统的全局有限时间镇定

针对一类非线性积分系统, 利用有限时间控制技术, 提出了一种输入饱和情况下的全局有限时间控制方案. 首先, 基于有限时间 Lyapunov 稳定性理论, 设计镇定系统的全局有限时间递归控制器. 然后,将该递归控制器与饱和函数结合得到饱和控制器. 数学上严格证明了在该饱和控制器的作用下, 闭环系统满足全局有限时间稳定性. 仿真结果验证了该方法的有效性.     

基于主动偏心轮的全方位移动机器人航位推算与跟踪控制

针对基于主动偏心轮的全方位移动机器人系统,提出了一种基于冗余码盘的航位推算方法和一种具有饱和约束的轨迹跟踪控制器.具体而言,首先分析了车轮发生滑动的原因,考虑到机器人随动轮相对于主动轮不易打滑的特性,设计了具有冗余码盘的随动轮结构.基于该结构,将机器人航位推算转化为一个含约束的最小二乘问题.实验结果表明:与未考虑随动轮约束的传统方法相比,该方法降低了轮子打滑的影响,提高了航位推算的精度.考虑到实际机器人系统的速度控制量具有上限,基于李亚普诺夫方法设计了含饱和约束的轨迹跟踪控制器,并对其稳定性和有界性进行证明.仿真与实验结果表明本文提出的控制器具有良好的性能,同时能够满足控制量的饱和约束.     

基于RBF神经网络的多关节机器人固定时间滑模控制

针对具有典型非线性特性的多关节机器人轨迹跟踪控制问题,提出一种基于径向基函数(RBF)神经网络的固定时间滑模控制方法.首先,基于凯恩方法建立包括系统模型不确定性以及外部干扰在内的多关节机器人动力学模型;然后,根据机器人动力学模型设计一种固定时间收敛的滑模控制器, RBF神经网络用来逼近系统模型中的不确定性项,并利用Lyapunov理论证明该系统跟踪误差能在固定时间内收敛;最后,对特定型号的多关节机器人虚拟样机进行仿真分析,结果表明:与基于RBF神经网络的有限时间滑模控制器相比,所提出控制器具有良好的跟踪性能且能保证系统状态在固定时间内收敛.     

高超声速飞行器有限时间饱和跟踪控制

针对高超声速飞行器纵向模型存在外界干扰和模型参数不确定性情形下的有限时间跟踪问题进行了研究分析.针对外界干扰上界已知,基于快速积分滑模理论,设计了有限时间快速积分滑模控制器.当外界干扰上界未知时,结合具有低通滤波器性能的自适应算法,通过引入辅助系统设计了实际有限时间自适应快速积分滑模控制器,能够处理输入饱和问题.对所设计的两个控制器利用李雅普诺夫理论给出了严格理论证明,得到整个闭环系统分别为有限时间稳定的、实际有限时间稳定的,并能够保证系统其它状态变量在较短的时间内趋于稳态值.对不同类型参考信号进行了数字仿真,进一步验证了所设计两个控制器的有效性和鲁棒性.     

一种球形滚动机器人的路径跟踪控制器设计

对一种球形滚动机器人的路径跟踪问题进行研究,设计一种基于自适应滑模控制策略的路径跟踪控制器。所设计的路径跟踪控制器采用鲁棒滑模自适应增益控制律,能够有效实现带有扰动和不确定性的实际球形滚动机器人的路径跟踪。推导球壳纯滚动和无自转非完整约束下球形滚动机器人的运动方程,并在此基础上设计自适应滑模路径跟踪控制器。对于给定的参考几何路径,所设计的路径跟踪控制器能够确保路径跟踪误差在有限时间内收敛至很小的零邻域内。基于Lyapunov稳定性理论证明了闭环控制系统的稳定性,数值仿真与样机实验结果进一步验证了所设计的路径跟踪控制器的有效性。     

基于干扰观测器的水下机器人预定性能控制

针对受外界干扰的水下机器人,提出一个预定性能控制器.首先,针对水下机器人的外界干扰,设计一个干扰观测器并且估计误差在有限时间内收敛至零;然后,利用干扰观测器进行前馈补偿,基于一种指数型障碍李雅普诺夫函数设计一个非奇异快速积分终端滑模控制器,使得水下机器人的轨迹跟踪误差在有限时间内收敛至零并且满足预定的性能要求;最后,严...     

用小波插值方法实现移动机器人的轨迹追踪控制

基于动力学模型方程，利用小波插值方法，对移动机器人的轨迹追踪控制问题，给出了一种新的方法．该方法在有限时间内，实现了转动速度、前进速度均不为零的期望轨迹追踪．它的突出特点是计算量小、方法简单，期望轨迹可为任意复杂的非线性曲线．在仿真实验里，取得了理想的效果．     

A method for forming program control for velocity regime of motion of underwater vehicles along arbitrary spatial trajectories with given dynamic accuracy

An approach to precise control of motion of an underwater vehicle is proposed; this approach consists in an automatic correction of program motion signals such that the execution of these new program signals provides precise motion of the underwater vehicle along a given spatial trajectory with maximum possible velocity irrespective of dynamic error of the control system of this underwater vehicle. The program signals of motion of the underwater vehicle are corrected by shifting the target point specifying the desired position of the underwater vehicle on a given trajectory by a value proportional to the vector of deviation of the underwater vehicle from this trajectory and simultaneous adjustment of the desired velocity of the underwater vehicle. The results of mathematical simulation have shown that the application of the proposed method provides exact and maximally fast motion of the underwater vehicle along the given spatial trajectory using simple standard linear controllers in the control system of this underwater vehicle.     

Reaching for redundant arms with human-like motion and compliance properties

This work proposes a redundant arm torque controller for reaching, guaranteeing desired completion time and accuracy requirements without the need for trajectory planning and prior knowledge of robot dynamics. The proposed controller is designed based on the prescribed performance control methodology and it is a reaching regulator in which the target pose for the hand acts as an attractor for the arm. It provides configuration consistency in return motions and hand and joint velocity smoothness. Its use in an admittance control scheme given measurements or estimates of external forces is also proposed providing active compliance capabilities in robot–environment interactions. Simulation studies for a 5dof human arm-like robot and experiments with a 7dof arm are performed to verify the approach and demonstrate the proposed controller’s performance.     

Robust motion/force control of nonholonomic mobile manipulators using hybrid joints

In this paper, robust force/motion control strategies are presented for mobile manipulators under both holonomic and non-holonomic constraints in the presence of uncertainties and disturbances. The proposed control strategies guarantee that the system motion converges to the desired manifold with prescribed performance and constraint force control is developed using the passivity of hybrid joints rather than force feedback control. Experiment results validate that not only the states of the system asymptotically converge to the desired trajectory, but also the constraint force asymptotically converges to the desired force.     

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.     

Stabilization of Nonholonomic Robotic Systems Using Adaptation and Homogeneous Feedback

This paper considers the problem of stabilizing nonholonomic robotic systems in the presence of uncertainty regarding the system dynamic model. It is proposed that a simple and effective solution to this problem can be obtained by combining ideas from homogeneous system theory and adaptive control theory. Thus each of the proposed control systems consists of two subsystems: a (homogeneous) kinematic stabilization strategy which generates a desired velocity trajectory for the nonholonomic system, and an adaptive control scheme which ensures that this velocity trajectory is accurately tracked. This approach is shown to provide arbitrarily accurate stabilization to any desired configuration and can be implemented without knowledge of the system dynamic model. Moreover, it is demonstrated that exponential rates of convergence can be achieved with this methodology. The efficacy of the proposed stabilization strategies is illustrated through extensive computer simulations with nonholonomic robotic systems arising from explicit constraints on the system kinematics and from symmetries of the system dynamics.     

基于Lyapunov方法和快速终端滑模的轨迹跟踪控制

针对移动机器人的运动学模型,提出一种具有全局渐近稳定性的跟踪控制器。该跟踪控制器的设计分为两部分：第一部分是采用全局快速终端滑动模态的思想设计了角速度的控制律,用来渐近镇定移动机器人跟踪的前向角误差;第二部分是采用Lyapunov方法设计了线速度的控制律,用来渐近镇定移动机器人跟踪的平面坐标误差。采用Lyapunov稳定性定理,证明了移动机器人在满足这些控制律条件下,实现了对参考轨迹的全局渐近跟踪。实验结果表明移动机器人能够有效地跟踪期望轨迹,有利于在实际应用中推广。     

非完整移动机器人的有限时间跟踪控制算法研究

对非完整移动机器人的有限时间轨迹跟踪控制问题进行讨论．与基于非连续状态反馈的传统有限时间控制算法相比，基于连续状态反馈的有限时间控制算法更适合于控制工程应用．利用该连续系统有限时间控制技术，设计一种连续的状态反馈跟踪控制算法．使得对角速度为非零常数的期望轨迹，非完整移动机器人能够实现全局跟踪，并能在有限时间内完全跟踪上期望轨迹．仿真结果表明了该方法的有效性．     

Adaptive stabilization of mobile manipulators

This paper considers the motion control problem for uncertain mobile manipulator systems comprised of a robotic arm mounted on a wheeled mobile platform. More specifically, we address the problem of stabilizing mobile manipulators in the presence of uncertainty regarding the system dynamic model. It is proposed that a simple and effective solution to this problem can be obtained by combining ideas from homogeneous system theory and adaptive control theory. Thus each of the proposed control systems consists of two subsystems: a (homogeneous) kinematic stabilization strategy, which generates a desired velocity trajectory for the mobile manipulator, and an adaptive control scheme, which ensures that this velocity trajectory is accurately tracked. This approach is shown to provide arbitrarily accurate stabilization to any desired configuration and can be implemented without knowledge of the details of the system dynamic model. Moreover, it is demonstrated that exponential rates of convergence can be achieved with this methodology. The efficacy of the proposed stabilization strategies is illustrated through computer simulations with two mobile manipulators. © 1998 John Wiley & Sons, Inc.     

基于干扰观测器的机械臂广义模型预测轨迹跟踪控制

为实现对多自由度机械臂关节运动精确轨迹跟踪,提出一种基于非线性干扰观测器的广义模型预测轨迹跟踪控制方法。针对机械臂轨迹跟踪运动学子系统,采用广义预测控制（Generalized Predictive Control,GPC）方法设计期望的虚拟关节角速度。对于机械臂轨迹跟踪动力学子系统,考虑机械臂的参数不确定性和未知外界扰动,利用GPC方法设计关节力矩控制输入,基于非线性干扰观测器方法实时估计和补偿系统模型中的不确定性。在李雅普诺夫稳定性理论框架下证明了机械臂关节角位置和角速度的跟踪误差最终收敛于零的小邻域。数值仿真验证了所提出控制方法的有效性和优越性。