刚柔空间机器人基于神经网络的协调运动控制及柔性振动抑制

探讨了本体姿态受控的刚柔耦合空间机器人关节运动控制及柔性振动抑制问题.基于拉格朗日方法及奇异摄动理论, 导出了系统的奇异摄动模型. 为确保系统在未知惯性参数影响下本体姿态、关节协调运动的精确跟踪控制, 针对慢变子系统, 提出了一种基于RBF神经网络的补偿控制策略; 同时针对快变子系统,采用惯常的线性二次型最优控制器以实现系统柔性振动的主动抑制. 仿真结果表明, 所提控制方案可有效补偿未知系统惯性参数的影响, 使系统能够准确跟踪所期望的运动轨迹, 并较好地抑制系统的柔性振动.      

柔性空间机械臂系统的模糊滑模神经网络控制及柔性振动主动抑制

研究了参数不确定漂浮基柔性空间机械臂关节空间的轨迹跟踪及柔性振动主动控制问题.运用虚拟力概念,生成能同时反映柔性振动和刚性运动的虚拟期望轨迹,设计了一种自适应非奇异Terminal滑模控制器来跟踪该虚拟期望轨迹,以实现载体姿态及关节稳定跟踪运动轨迹并对所产生的柔性振动进行主动抑制的控制目标.所设计的控制器结合了Terminal滑模控制快速收敛性,模糊小波神经网络优良的函数逼近特性及鲁棒技术处理逼近误差的优势,利用自适应算法在线自适应调节模糊小波神经网络的所有网络权值和参数,使控制器具有很强的鲁棒性.仿真实验证明了所提控制方案的有效性.      

双臂空间机器人关节运动的一种增广自适应控制方法

讨论了载体位置、姿态均不受控制情况下,具有未知参数的自由漂浮双臂空间机器人系统的自适应控制问题.由于此类机器人系统具有结合系统动量及动量矩守恒关系得到完全能控形式的系统动力学方程,以及系统惯性参数不符合惯常的线性函数关系的特点,因而地面机器人的控制方法在此难以直接推广应用.为了克服上述难点,仅将系统动量守恒关系耦合到系统动力学方程当中,而不耦合系统动量矩守恒关系,结果得到一组欠驱动形式的系统动力学方程.该系统动力学方程的优点是关于一组组合惯性参数能保持惯常的线性函数关系.以此为基础,并借助增广变量法,针对双臂空间机器人末端爪手所持载荷参数未知的情况,设计了关节空间轨迹跟踪的自适应控制方案.该控制方案的显著优点为,不需要测量、反馈双臂空间机器人漂浮基的位置、移动速度和移动加速度.系统的数值仿真,证实了方法的有效性.      

漂浮基闭链双臂空间机器人抓持系统动力学及载荷力/位置混合控制的模糊变结构控制器设计

讨论了载体位置、姿态均不受控制的漂浮基双臂空间机器人抓物系统的动力学建模和控制问题. 利用拉格朗日方法和牛顿欧拉法分别建立了双臂空间机器人及负载的非线性动力学模型, 结合空间机器人固有的特性及闭合链约束关系, 得到抓持系统合成动力学方程. 以此为基础, 考虑到空间机器人系统结构的复杂性及某些参数的变动性, 根据具有较强鲁棒性的变结构控制理论, 针对该抓持系统惯性空间轨迹跟踪设计了全局滑模控制方案及相应的PI内力控制方案, 从而达到位置、力的混合控制. 为克服滑模控制器抖振的缺点, 附加设计了模糊控制器, 根据系统的输出来动态调节滑模控制器的参数, 从而既可确保系统的快速响应又可降底原有的抖振. 系统数值仿真证明了上述控制方案的有效性与准确性.      

具有外部扰动及不确定系统参数的漂浮基空间机器人关节运动的增广鲁棒控制

讨论了载体位置与姿态均不受控制的漂浮基空间机器人系统的鲁棒控制问题. 利用拉格朗日方法及系统动量守恒关系导出了漂浮基空间机器人欠驱动形式的系统动力学方程, 以确保得到的系统动力学方程关于一组适当选择的组合惯性参数呈线性函数关系. 在此基础上, 借助增广变量法针对末端爪手所持载荷参数存在不确定的情况, 提出了对外部扰动具有鲁棒性的漂浮基空间机器人关节空间轨迹跟踪的拟增广鲁棒控制方案. 所提控制方案由于充分利用空间机器人系统动量守恒关系, 消除了动力学方程中载体位置相关量, 因此具有不需要测量、反馈载体的位置、移动速度和移动加速度的显著优点; 且由于对系统不确定参数及外部扰动始终采用保持鲁棒性的方式而非在线估计的方式, 有效减少了计算量, 因此更适用于机载计算机运算能力有限的空间机器人控制系统实时在线应用. 一个平面两杆空间机器人系统的数值模拟仿真, 证实了方法的有效性.      

参数不确定空间机械臂关节轨迹跟踪的增广自适应控制方案

讨论了载体位置与姿态均不受控制的漂浮基两杆空间机械臂系统的控制问题.系统动力学分析的结果表明,结合系统动量及动量矩守恒关系得到的系统动力学方程将为系统惯性参数的非线性函数.证明了借助于增广变量法,即通过适当扩展系统的控制输入与输出可以得到一组控制方程,它们可以表示为一组适当选择的惯性参数的线性函数.以此为基础,针对机械臂末端载荷参数未知的情况,设计了关节空间轨迹跟踪的增广自适应控制方案.此控制方案的显著优点在于不需要测量漂浮基的位置及移动的速度、加速度.仿真运算证实了方法的有效性.      

三自由度平面欠驱动机械臂的轨迹跟踪控制

研究了三连杆平面欠驱动机械臂的轨迹跟踪问题.机械臂的第3个关节为被动关节,施加在自由运动连杆上的动力学约束是二阶非完整的.通过全局输入和坐标变换,系统的动力学方程被变换成高阶链式形式.基于后推法(backstepping)的思想推导出保证系统全局渐近收敛于参考轨迹的时变反馈控制规律.后推法将系统分解为低阶子系统来处理,利用中间虚拟控制变量和部分Lyapunov函数简化了控制器的设计.数值仿真结果显示系统能稳定地跟踪参考轨迹,也证明了控制器设计是有效的.      

带滑移铰空间机械臂惯性空间轨迹的复合自适应跟踪控制

讨论了载体的位置与姿态均不受控制的漂浮基带滑移铰空间机械臂的控制问题。动力学分析表明，结合系统动量及动量矩守恒关系得到的运动Jacobi关系及系统动力学方程将是系统惯性参数的非线性函数，借助于增广变量法，我们得到了与惯性参数呈线性关系的系统广义Jacobi矩阵及系统控制方程，以此为基础，针对系统中存在未知惯性参数的情况，设计了一种末端抓手惯性空间期望轨迹跟踪的复合自适应控制方案，此控制方案的优点在于不需要测量空间机械臂载体的位置及移动的速度，加速度，仿真运算证实了方法的有效性。     

双臂空间机器人关节运动的一种增广鲁棒控制方法

讨论了载体位置与姿态均不受控制情况下,漂浮基双臂空间机器人系统的控制问题.结合系统动量守恒关系进行的运动学、动力学分析表明,可以得到一组与适当选择的惯性参数呈线性函数关系的、欠驱动形式的系统动力学方程.以此为基础,并采用增广变量的思想,克服了通常情况下,空间机器人系统动力学方程关于系统惯性参数呈非线性关系的难点,针对双臂空间机器人末端爪手所持载荷参数不确定,但误差范围可确定的情况,设计了漂浮基双臂空间机器人关节运动的变结构鲁棒控制方案.该控制方案的优点在于,不需要反馈、测量漂浮基的位置、移动速度及移动加速度;与自适应控制方案相比,化积分运算为简单四则运算,计算量大为减少,有利于实时应用.通过对一个平面双臂空间机器人系统的数值仿真,证实了算法的有效性.      

Compensation of base disturbance using optimal trajectory planning of dual-manipulators in a space robot

This paper presents a trajectory planning algorithm for a space robot with dual-manipulators. Here one manipulator of the space robot captures a target, and another manipulator is free. In this case, this study uses one manipulator as the mission manipulator to capture the target, and another as the balance manipulator aiming at the compensation of the pose disturbance. For this method, a novel trajectory planning algorithm applied to the balance manipulator is presented. The trajectory planning problem is transformed into series of problems of the optimal state solution, and then the iterative algorithms for the trajectory planning are designed. In the iterative algorithms, the bias force on the spacecraft base caused by the balance manipulator is used as the compensation force. Then, to calculate the expected compensation force and torque, a pose control law for the spacecraft base is introduced. The expected compensation force and torque provide equality constraints for optimization problems, which implies that the trajectory planning algorithm compensates for not only the disturbance generated by the manipulator’s motion, but also environmental disturbances. This is because the expected compensation force and torque depend on the pose change of the spacecraft base rather than the type of the disturbance. Numerical simulation was carried out to analyze the proposed trajectory planning method. It was observed that the method greatly reduces the disturbance of Manipulator A on the spacecraft base. These results validated the effectiveness of the proposed method for the trajectory planning to make the spacecraft base disturbance up to minimum.     

Motion-planning and pose-tracking based rendezvous and docking with a tumbling target

Rendezvous and docking (RVD) with a tumbling target is challenging. In this paper, a novel control scheme based on motion planning and pose (position and attitude) tracking is proposed to solve the pose control of a chaser docking with a tumbling target in the phase of close range rendezvous. Firstly, the current desired motion of the chaser is planned according to the motion of the target. In planning the desired motion, the “approach path constraint” is considered to avoid collisions between the chaser and the target, and the “field-of-view constraint” is considered to make sure the vision sensors on the chaser to obtain tight relative pose knowledge of the target with respect to the chaser. Then, the difference between the chaser’s motion and the desired motion is gradually reduced by a pose tracking controller. This controller is based on the non-singular terminal sliding mode (NTSM) method to make the tracking error converge to zero in finite time. Since the chaser nearly moves along the desired motion and the motion is reasonable, (1) it could safely arrive at the docking port of the target with a suitable relative attitude, (2) it will be always suitably oriented to observe the target well, and (3) the magnitude of the needed control inputs are less than that in existing literatures. The numerical results demonstrate the above three advantages of the proposed method.     

行星采样柔性机械臂运动规划研究

为适应行星表面较大范围的采样要求及系统减重的需求,采样机械臂通常是细长形臂杆加多关节组成的连杆型关节机械臂,这使得抑制柔性振动成为机械臂控制系统的研究重点。针对采样机械臂的工作过程,提出带抛物线过渡的平滑轨迹规划方法,即在运动过程中使加速度连续,避免关节转动的力矩突变,并且最大限度降低峰值。首先建立基于D-H法的机械臂运动学方程,然后在考虑臂杆及关节柔性的动力学模型环境下,进行变加速—匀速—变减速的笛卡尔空间加速度连续平滑轨迹规划运动,达到减小柔性臂振动、提高定位精度的目的。仿真结果表明,在运动规划中引入抛物线过渡的加速度连续环节、降低加速度冲击可以明显改善运动平稳性,对提高动态跟踪精度有直接作用。     

具有未知载荷参数的漂浮基空间机械臂姿态、关节协调运动的模糊自适应补偿控制

讨论了载体姿态受控、位置不受控制情况下, 漂浮基空间机械臂载体姿态及机械臂 关节协调运动的控制问题. 利用拉格朗日方法并结合系统动量守恒关系, 建立了漂浮基空间机械臂完全能控形式的系统动力学方程. 以此为基础, 针对空间机械臂末 端爪手所持载荷参数未知的情况, 设计了一种基于标称计算力矩控制器附加模糊自适应补偿控制器的复合控制方案, 即通过模糊自适应补偿控制器来弥补系统未知参数对标称计算力矩控制器的影响, 以确保存在未知系统参数情况下整个闭环控制系 统的渐近稳定性. 文中提到的控制方案能够有效地控制漂浮基空间机械臂的载体姿态及机械臂关节, 可以协调地完成期望的轨迹运动, 并具有不需要反馈和测量空间机械臂载体 的位置、移动速度、移动加速度, 同时也不要求系统动力学方程关于系统惯性参数呈线性函数关系的显著优点. 通过系统数值仿真证实了方法的有效性.      

带滑移铰空间机械臂协调运动的自适应与鲁棒混合控制

讨论了载体位置不受控制情况下，带滑移铰空间机械臂姿态与末端抓手直辖市运动的控制问题，结合系统动量守恒关系进行的运动学，动力学分析表明，可以得到一组与惯性参数呈线性关系的系统广义Jacobi短阵及系统动力学方程，以此为基础，针对系统参数不确定但误差范围可以确定的情况，设计了载体姿态与末端抓手惯性空间期望运动轨迹跟踪的自适应与鲁棒混合控制方案，提到的控制方案具有不需要测量空间机械臂载体移动的位置，速度及加速度的显著优点，且由于在控制部分对不确定参数采用保持鲁棒性的方式，计算量较小，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。     

柔性关节空间机器人基于柔性补偿的模糊鲁棒滑模控制及柔性振动主动抑制

针对参数不确定的漂浮基柔性关节空间机器人系统,研究了其动力学建模过程、运动控制律设计及柔性振动的主动抑制.利用系统动量、动量矩守恒关系和拉格朗日方程建立了系统的动力学方程.为克服传统奇异摄动法仅适用于关节弱柔性系统这一局限性,设计了柔性补偿项来等效提高空间机器人系统中柔性关节的刚度.在此基础上,利用奇异摄动法将系统分解为相互独立的慢变子系统和快变子系统,并分别进行控制律设计.所设计的慢变子系统模糊鲁棒滑模控制律可补偿系统中的不确定参数,减小柔性关节引起的转角传动误差,实现系统期望运动轨迹的渐近跟踪;快变子系统控制律可主动抑制柔性关节引起的系统柔性振动.仿真实验结果证明了该混合控制律的有效性.      

全柔性空间机器人基于虚拟力的输出反馈有限维重复学习控制及振动抑制

探讨了基座、关节、臂均存在柔性情况下,空间机器人关节轨迹运动及多重柔性振动的主动控制和主动抑制问题.结合线性弹簧、扭转弹簧、简支梁及假设模态法,利用拉格朗日方程建立了基座、关节、臂全柔性影响下的空间机器人系统动力学模型,利用奇异摄动法,将模型分解为关节运动慢变子系统与关节柔性振动快变子系统.为控制慢变子系统中载体姿态、关节刚性运动并且抑制臂的柔性振动,依据虚拟控制力的概念,设计了基于有限维傅里叶级数解析周期信号的输出反馈重复学习算法.李雅普诺夫直接法证实了上述控制器的稳定性.为了抑制快变子系统中基座和关节的柔性振动,分别采用线性二次最优控制方法以及引入关节柔性补偿器间接增大关节等效刚度的方式,使控制算法不局限于求解弱非线性问题.系统数值仿真结果表明,所提出的控制器能够有效抑制机器人多重柔性构件的振动,实现对期望信号的高品质追踪.      

Re-entry trajectory tracking of reusable launch vehicle using artificial delay based robust guidance law

A Reusable Launch Vehicle (RLV), during the re-entry phase of its flight, experiences uncertain environment and extreme turbulence. This calls for an effective control strategy to guide the vehicle efficiently on a trajectory that allows safer landing conditions while providing robustness against external disturbances and system uncertainties. In this regard, a Time-Delayed Control (TDC) strategy has been proposed to track the space vehicle on a predetermined trajectory in the presence of these uncertainties. In the proposed approach, the system vector and the uncertainties are lumped into a single function which is estimated using the input and output data from the previous instant. Theoretical analysis of the control strategy executed using Lyapunov’s method, proves Uniformly Ultimately Bounded (UUB) stability of the closed loop system. The efficacy of the proposed approach has been verified through simulation studies which affirm robust tracking of the optimal trajectory generated through Pseudo-Spectral method (PSM), in the presence of time-varying uncertainties.     

双臂空间机器人系统运动规划的双向逼近方法

基于双向逼近方法,讨论了载体位置与姿态均不受控制的双臂空间机器人系统的运动规划问题．该方法以系统动量和动量矩守恒关系为基础,建立了控制系统设计所需系统状态方程;并通过对系统状态方程应用双向逼近方法,获得了机械臂关节角的控制输入方程,从而达到对载体姿态及机械臂关节角的双重控制效果．该方法的优点是减少了载体姿态控制燃料的消耗,有效地延长了空间机器人系统的使用寿命．系统数值仿真证明了该方法的有效性．     

多四旋翼无人机系统分布式分层编队合围控制

针对带有多个领航者与跟随者的欠驱动四旋翼无人机群系统, 提出了一种分布式分层编队合围控制方法。设计分层分布式有限时间滑模估计器, 实现在仅有部分领航者获取到期望轨迹的条件下, 每架无人机都能生成其满足控制需求的估计位置信息。针对六自由度欠驱动四旋翼无人机模型的特点, 提出一种无人机位置层和姿态层的分层控制方法, 实现了无人机对所生成的估计位置的跟踪控制, 该方法采用高阶导数逼近算法, 防止在求解期望角速度的过程中出现微分爆炸。所提方法能在满足姿态稳定收敛的条件下实现有效的编队合围控制。通过数值仿真验证了所提方法的有效性。