时变不确定环境下力跟踪的机械臂变导纳控制

空间机械臂操作环境是时变且不确定的,存在接触力过大造成损坏的风险,对机械臂操作柔顺性提出挑战.本文以六自由度机械臂为研究对象,针对定导纳控制在时变不确定接触环境依赖精确估计实现力跟踪的问题,研究了自适应变导纳控制.针对自适应变导纳控制超调过大的问题,设计了用于补偿自适应策略参数的模糊系统,提出一种自适应模糊变导纳控制方法.基于三类时变环境进行了Matlab/Simulink仿真,验证了自适应模糊变导纳控制算法的有效性.仿真结果表明提出的自适应模糊变导纳控制在时变接触环境下具有更优的力跟踪和超调抑制综合效果.     

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.      

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.      

基于导纳控制的空间精细操作半物理仿真

分析空间机器人精细操作动力学,建立空间漂浮基机器人动力学模型和空间接触碰撞模型.根据动力学模型及碰撞模型,建立了基于导纳原理的包含路径规划器、导纳控制器和运动估计器的空间精细操作半物理仿真控制模型.详细介绍用于验证精细操作控制模型的地面半物理仿真平台的构造和性能.在Simulink和UG软件中针对空间机器人抓捕对接环的典型作业过程进行联合仿真,结果表明,碰撞力被稳定控制在给定区间,验证了基于导纳原理的空间精细操作半物理仿真机理的有效性.     

双柔性机械手搬运刚性物体的协调控制研究

采用负载分配方法,将双柔性机械手协调搬运物体的控制分解为两个等效柔性机械手的运动与力混合控制的问题,同时表明当负载分配系数为常数时等效柔性机械手具有柔性机械手相同的动力学特性。然后通过等效刚性机械手的逆运动学求解出两等效柔性机械手的期望运动轨迹,并且采用输出重定义设计出两等效机械手的运动近似跟踪控制和力控制算法;最后,通过双柔性平面机械手协调搬运物体的仿真实例,说明了所提出的控制方案在柔性机械手协调控制中的有效性。     

无反作用力矩空间机器人轨迹跟踪控制

针对目前关节驱动方式的不足,提出一种采用无反作用力矩驱动方式的空间机器人设计概念。系统平台与各节机械臂上均安装一组金字塔构型的控制力矩陀螺（CMGs）作为力矩执行机构,各臂间由自由球铰连接。采用Rodriguez参数描述平台姿态和机械臂角位移,利用Kane方程建立系统动力学模型。在此基础上,设计了渐近稳定的轨迹跟踪控制律,使得平台姿态和机械臂角位移跟踪期望运动轨迹;并设计了CMGs操纵律,使之准确输出期望控制力矩。此外,研究了机械臂工作空间到关节空间的轨迹规划算法,使得所设计的控制律也可应用于工作空间的轨迹跟踪控制。由三关节系统的仿真结果,验证了无反作用力矩设计概念的可行性和轨迹规划算法的有效性。     

飞行控制中的一种新型最优控制分配方法

针对新一代多操纵面飞行器的控制分配问题,提出了一种全新的最优控制分配算法——基底排序法.该方法将优化目标按照飞行控制的需求分成控制目标和任务目标两类,以基底的形式对舵面进行重新组合,并按照期望控制目标和任务优化指标进行排序,将冗余优化问题转化成排序问题加以解决.通过与几种常用控制分配方法的比较及多操纵面飞行控制系统的仿真验证,表明基底排序法能在准确实现期望目标的同时获得更好的任务目标分配结果,构成的控制系统能按期望要求准确、快速地跟踪指令信号,并可有效地抑制飞机各控制通道之间的影响.      

飞机突防飞行非线性解耦控制系统的混合仿真研究

飞机低空突防作地形跟踪／回避飞行时，会出现纵向和横向运动的非线性交叉耦合，利用非疆性逆系统理论和现代最优控制理论可以设计一个飞行控制规律来解开这些耦合，主要讨论了这种线性解耦控制系统的混合仿真，给了用于仿真的数学模型以及仿真方法，对系统有无大气紊流扰动的解耦控制、系统对指令输入的跟踪、飞行品质等方面进行了探讨。结果表明，该控制规律在有无大气紊流影响时都能实现解耦，准确地跟踪期望的三维突防航迹，并具     

基于眼动、位姿及场景视频的人体运动方向预测方法

外骨骼机器人作为新提出的改善、提高人类生活能力的智能设备,同样需要高效智能的人机交互系统,而人机交互的第一步,则是精准预测人的行为意图。从外骨骼机器人的顶层控制角度出发,介绍了人体运动意图识别和外骨骼机器人智能交互能力的研究现状,并对人体运动方向识别进行了研究。提出了一种结合眼动信息、位姿信息及场景视频信息的多信息融合的人体运动意图识别网络架构,并进行了采集设备的穿戴实验。利用实验数据,对提出的网络方法进行了实验验证。结果表明:所提出的人体运动方向的识别系统,可以预测出人体运动过程中的运动方向。      

一种改进的运动目标抗遮挡跟踪算法

为解决运动目标在遮挡情况下的跟踪问题,提出一种基于目标运动预测与自适应多子块模板匹配相结合的抗遮挡跟踪算法.该算法建立了多子块模板匹配相关算法中遮挡情况的判定、子块模板匹配及自适应更新等准则,采用卡尔曼滤波模型预测目标在遮挡时的运动轨迹,并利用一种基于目标速度矢量的模板定位规则实现目标在遮挡结束后的接力跟踪.将该算法应用于存在多种遮挡情况下的实际视频中进行测试,实验结果表明:该算法不仅能够实现在部分遮挡情况下的目标跟踪,而且能在严重遮挡、甚至完全遮挡情况下对刚体和非刚体目标进行稳定有效地跟踪,保持目标运动轨迹的可靠性和完整性.     

Matching trajectory optimization and nonlinear tracking control for HALE

This paper concerns optimal trajectory generation and nonlinear tracking control for stratospheric airship platform of VIA-200. To compensate for the mismatch between the point-mass model of optimal trajectory and the 6-DOF model of the nonlinear tracking problem, a new matching trajectory optimization approach is proposed. The proposed idea reduces the dissimilarity of both problems and reduces the uncertainties in the nonlinear equations of motion for stratospheric airship. In addition, its refined optimal trajectories yield better results under jet stream conditions during flight. The resultant optimal trajectories of VIA-200 are full three-dimensional ascent flight trajectories reflecting the realistic constraints of flight conditions and airship performance with and without a jet stream. Finally, 6-DOF nonlinear equations of motion are derived, including a moving wind field, and the vectorial backstepping approach is applied. The desirable tracking performance is demonstrated that application of the proposed matching optimization method enables the smooth linkage of trajectory optimization to tracking control problems.     

末端制导飞行轨迹的仿真与试飞

提出了战斗机完成制导装置末端制导阶段飞行轨迹的仿真和试飞方法.末端制导阶段的飞行轨迹要求进入段尽可能减小高度损失,并在俯冲段满足精确的轨迹跟踪.采用6自由度全量非线性方程,考虑纵向和横航向运动的相互耦合关系,通过对飞机的高速度、大俯冲角、大落差飞行全过程进行仿真研究,分析了3种利用滚转操纵进入俯冲的情况,获得了满足高精度飞行轨迹的操纵方案,即在进入段,先操纵副翼使滚转角接近180°,拉杆使俯冲角满足轨迹要求后,再反向操纵副翼使飞机正飞进入俯冲.通过飞行试验验证了方案的合理性和有效性.研究表明:该方法在保证飞行安全的前提下,提高了飞行轨迹精度和试飞效率.     

基于非线性模型预测的绳系系统系绳摆振控制

针对绳系系统离轨稳定控制问题,开展了系绳和绳端卫星构成的绳系系统在拖拽离轨过程中系绳摆动稳定控制方法研究。在考虑拖拽离轨过程中约束下,首先建立了包含绳端卫星的姿态运动的模型,并建立了绳系系统的离轨动力学方程和便于控制器设计的简化动力学方程。其次根据模型预测原理以最优化方法设计参考轨迹,最后以模型预测控制方法为基础设计了稳定系绳摆动的非线性模型预测控制方法。使用MATLAB软件平台仿真,验证了所设计的参考轨迹能完成目标和模型预测控制器有好的跟踪能力。      

Optimal spacecraft formation establishment and reconfiguration propelled by the geomagnetic Lorentz force

The Lorentz force acting on an electrostatically charged spacecraft as it moves through the planetary magnetic field could be utilized as propellantless electromagnetic propulsion for orbital maneuvering, such as spacecraft formation establishment and formation reconfiguration. By assuming that the Earth’s magnetic field could be modeled as a tilted dipole located at the center of Earth that corotates with Earth, a dynamical model that describes the relative orbital motion of Lorentz spacecraft is developed. Based on the proposed dynamical model, the energy-optimal open-loop trajectories of control inputs, namely, the required specific charges of Lorentz spacecraft, for Lorentz-propelled spacecraft formation establishment or reconfiguration problems with both fixed and free final conditions constraints are derived via Gauss pseudospectral method. The effect of the magnetic dipole tilt angle on the optimal control inputs and the relative transfer trajectories for formation establishment or reconfiguration is also investigated by comparisons with the results derived from a nontilted dipole model. Furthermore, a closed-loop integral sliding mode controller is designed to guarantee the trajectory tracking in the presence of external disturbances and modeling errors. The stability of the closed-loop system is proved by a Lyapunov-based approach. Numerical simulations are presented to verify the validity of the proposed open-loop control methods and demonstrate the performance of the closed-loop controller. Also, the results indicate the dipole tilt angle should be considered when designing control strategies for Lorentz-propelled spacecraft formation establishment or reconfiguration.     

MCMC-Particle-based group tracking of space objects within Bayesian framework

With the intense increase in space objects, especially space debris, it is necessary to efficiently track and catalog the extensive dense clusters of space objects. As the main instrument for low earth orbit (LEO) space surveillance, ground-based radar system is usually limited by its resolution while tracking small space debris with high density. Thus, the obtained measurement information could have been seriously missed, which makes the traditional tracking method inefficient. To address this issue, we conceived the concept of group tracking. For group tracking, the overall tendency of the group objects is expected to be revealed, and the trajectories of individual objects are simultaneously reconstructed explicitly. According to model the interaction between the group center and individual trajectories using the Markov random field (MRF) within Bayesian framework, the objects’ number and individual trajectory can be estimated more accurately in the condition of high miss alarm probability. The Markov chain Monte Carlo (MCMC)-Particle algorithm was utilized for solving the Bayesian integral problem. Furthermore, we introduced the mechanism for describing the behaviors of groups merging and splitting, which can expand the single group tracking algorithm to track variable multiple groups. Finally, simulation of the group tracking of space objects was carried out to validate the efficiency of the proposed method.     

基于自适应迭代的机器人曲面恒力跟踪

针对利用机器人进行打磨、抛光、去毛刺等场合时末端执行器对曲面工件轮廓跟踪时难以得到恒定接触力的问题,对机器人末端执行器和工件轮廓接触时的接触力进行研究,建立了实际跟踪过程中机器人末端执行器的接触力和已知传感器坐标系的映射关系,提出了一种基于自适应迭代学习算法的机器人力/位混合曲面恒力跟踪控制方法。该方法由两部分组成:基于机器人和环境接触时的阻抗模型设计了迭代学习控制律,在PD反馈控制的基础上通过迭代项克服机器人的未知参数和不确定性,并构建Lyapunov能量函数证明所提控制律的收敛性;将迭代学习控制律和力/位混合曲面恒力跟踪控制方法结合起来设计了用于曲面工件轮廓跟踪的控制方法。实验结果显示,经过15次迭代,接触力的波动范围逐渐变小并稳定在±3 N之内,验证了所提方法的有效性。      

柔性基座冗余机械臂的最优反作用控制

针对柔性基座冗余机械臂的末端轨迹跟踪问题，提出一种反作用最优控制方法，该算法将轨迹跟踪视为高优先级任务，而反作用优化控制在高优先级任务零空间内进行。由于冗余机械臂的自运动能在不影响末端运动的前提下改变关节运动，利用冗余机械臂的自运动消除振动系统中的低阶模态力，使机械臂在完成轨迹跟踪的同时激起的弹性振动大幅减小，从而提高了系统的稳定性。以平面3自由度柔性基座机械臂和空间7自由度柔性基座机械臂为例进行数值仿真，证实了方法的有效性。