基座弹性影响下空间站柔性关节机械臂的鲁棒自适应滑模控制及双重弹性振动主动抑制

讨论了基座存在弹性情况下,载体位置、姿态均不控的空间站柔性关节机械臂系统控制问题。利用拉格朗日方法结合动量守恒定律,建立了弹性基座空间站柔性关节机械臂系统动力学方程。以此为基础,依据级联控制法,将系统分解为弹性基座刚性臂子系统和关节柔性电机转子子系统。对于弹性基座刚性臂子系统,为了主动抑制弹性基座柔性振动,运用虚拟力的概念,构造同时反映柔性模态和刚性运动轨迹的混合期望轨迹,通过改造原有的控制方案,提出基于虚拟力概念的鲁棒自适应滑模控制器控制策略,由于运用了虚拟力的概念,从而仅通过设计一个控制输入便可同时保证刚性轨迹跟踪并对载体基座的弹性振动进行主动抑制,更适应于空间站柔性关节机械臂系统的实际应用。同时,针对系统参数未知的情况,利用级联控制方法能够有效地抑制柔性关节的振动。理论分析及仿真算例均表明了控制方法的可行性。     

漂浮基柔性两杆空间机械臂的全局鲁棒Terminal滑模控制

讨论了载体位置、姿态均不受控并具有有界外部扰动的飘浮基柔性两杆空间机械臂振动不主动抑制的全局鲁棒Terminal滑模控制。首先选择合理的联体坐标系,利用拉格朗日方程并结合动量守恒原理得到系统的动力学方程。根据Terminal滑模控制技术,给出了系统的Terminal滑模面,进而提出了系统的Terminal滑模运动控制算法。然后分析了该Terminal滑模控制器控制下系统中的两柔性杆的振动,并对两柔性杆的振动进行了数值仿真。该Terminal滑模控制律消除了惯常滑模控制的到达阶段,从而具有全局鲁棒性与稳定性;同时还保证了输出误差在任意指定有限时间内收敛到零。系统的数值仿真表明该Terminal滑模控制器能够使机械臂关节轨迹快速而稳定地追踪上期望运动轨迹,而系统中两柔性杆件始终存在比较大的柔性振动。该控制方案的显著优点为不需要测量、反馈载体的位置、移动速度、移动加速度,减少了系统的设计、制造、发射、维护费用,提高了系统的可靠性。     

单连杆柔性臂模糊控制

以单连杆柔性臂为例,提出了模糊控制与最优控制相结合的混合控制方法。首先,采用奇异摄动将系统分为慢变和快变两个子系统。然后,对慢变子系统采用模糊控制,快变子系统采用最优控制。仿真结果表明,该方法不仅能实现柔性臂轨迹的快速、准确跟踪,有效地抑制弹性振动,并且对负载的变化具有强的鲁棒性。     

基座弹性的双柔杆空间机器人的神经网络动态面控制

针对基座弹性的双柔杆漂浮基空间机器人系统存在外部干扰时的轨迹跟踪及柔性抑振问题,推导了系统的动力学模型,应用奇异摄动理论,将系统分解为表示刚性运动的慢变子系统和表示基座弹性、双柔杆振动的快变子系统。对于慢变子系统,设计了一种基于动态面的神经网络控制器,通过动态面的应用避免反步法带来的计算膨胀问题;通过RBF神经网络逼近了含有外部干扰在内的动力学不确定项;针对快变子系统,采用线性二次型最优控制同时抑制弹性基座与双柔杆的振动。数值仿真验证了控制方法的有效性。     

基于PSO优化算法的空间机械臂振动抑制研究

针对空间柔性机械臂的末端残余振动抑制问题,提出了一种基于逆运动学分析和粒子群优化算法的柔性机械臂笛卡尔空间轨迹规划和振动抑制的新方法。采用自然坐标法和绝对节点坐标法分别对柔性关节、柔性臂杆进行动力学建模,最终得到全面考虑柔性特性的柔性机械臂动力学模型;针对机械臂末端笛卡尔空间"点到点"和"静止到静止"的规划运动,采用五次多项式函数对末端轨迹进行离散规划,并通过逆运动学理论分析求解得到含冗余参数的关节空间电机转动轨迹;采用粒子群优化算法(PSO),将满足机械臂末端振动最小化的轨迹规划问题转换为待定冗余参数的优化问题,并迭代优化求解该参数;最后以三自由度柔性机械臂开展仿真研究。仿真结果表明,提出的规划方法具有很高的收敛速度,节约了计算时间;能够实现预定的机械臂轨迹规划;对机械臂末端点的残余振动能够进行有效地抑制。     

空间机械臂刚柔耦合动力学模拟及小波基模糊神经网络控制

研究了关节和杆件双重柔性影响下空间机械臂系统的动力学模拟,运动控制算法设计和臂杆、关节双重柔性振动的主动抑制问题。利用线动量、角动量守恒关系,并基于拉格朗日方程、线性扭转弹簧及假设模态法建立系统动力学模型。为解决传统奇异摄动法应用受关节柔性限制问题,引入了一种关节柔性补偿控制器,以适当提高系统关节的等效刚度;并基于奇异摄动理论,将系统分解成独立时间尺度的柔性臂子系统和电机力矩动力子系统,借助小波基模糊神经网络的优良特性,将轨迹跟踪的角度误差及角速度误差输入到网络中,通过一阶梯度寻优算法来优化整个网络,降低柔性振动的影响,以达到高精度控制的要求的。计算机数值仿真对比试验证实了该方法的可靠性和有效性。     

柔性臂空间机器人的一类运动学方程及轨迹规划

用柔性机械臂连杆末端的弹性变形以及变形角度来表示空间机器人柔性臂的弹性运动变量,克服了用无穷维振动模态变量来表示弹性变形给系统运动学建模带来的困难;基于广义雅可比矩阵的思想,建立了柔性臂空间机器人"双广义雅可比矩阵"形式的运动学模型,该运动学模型描述了柔性臂弹性变形对空间机器人的运动影响;以运动学方程为基础,设计了柔性臂空间机器人的惯性空间内连续轨迹规划算法。仿真表明,规划的机械臂关节运动规律可以补偿柔性连杆振动给机械臂末端位置带来的影响,使机械臂末端位置准确沿着期望的轨迹运动。     

参数不确定空间机械臂系统的增广自适应控制

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,为此对系统的运动学、动力学作了分析。结果表明 :结合系统动量守恒及动量矩守恒关系得到的系统广义Jacobi关系、以及系统的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可以将增广广义Jacobi矩阵以及系统动力学方程表示为一组适当选择的惯性参数的线性函数。在此基础上,给出了系统参数未知时,空间机械臂末端抓手跟踪惯性空间期望轨迹的增广自适应控制方案。通过仿真运算,证实了方法的有效性。     

漂浮基柔性臂空间机器人输出力矩受限的自适应PID输出反馈

针对输出力矩受限的漂浮基柔性臂空间机器人的控制问题,结合系统动量守恒关系和拉格朗日方法建立了系统动力学模型;利用奇异摄动法,慢变子系统设计了输出力矩受限情况下仅有位置传感、建模不确定性及干扰的空间机械臂系统协调运动的自适应PID输出反馈控制算法,快变子系统设计了线性二次最优控制方法主动抑制。该算法采用高精度滤波器估计机器人关节速度,使得整个系统的闭环控制仅需位置输出反馈;在控制率中引入饱和函数,保证输出力矩在给定限制范围内,同时采用自适应PID控制器补偿建模不确定性和干扰。基于Lyapunov稳定性理论证明了该算法可确保控制系统是渐近稳定的,针对平面两关节漂浮基柔性臂空间机器人的仿真结果表明了所提出的控制方案良好的跟踪性和快速收敛性。     

惯性参数不确定的自由漂浮空间机器人自适应控制研究

针对自由漂浮空间机器人系统惯性参数不确定问题,提出一种笛卡儿空间内的自适应轨迹跟踪控制方法。采用扩展机械臂模型建立了自由漂浮空间机器人关节空间动力学方程,进而推导笛卡儿空间中的自由漂浮空间机器人动力学方程。在基于逆动力学法的自由漂浮空间机器人自适应控制器设计中,利用标称控制器离线固定控制参数与补偿控制器在线补偿方法,既可以保证惯量矩阵可逆,又可以使控制参数实时估计。采用Lyapunov方法的稳定性分析表明系统是稳定且渐进收敛的。最后,应用该控制方法对两杆平面自由漂浮空间机器人进行了仿真研究。仿真结果显示自由漂浮空间机器人末端执行器在笛卡儿空间具有良好的轨迹跟踪能力。     

平面柔性欠驱动机械臂的非线性动力学分析

研究了平面柔性欠驱动机械臂中被动关节对系统动态特性的影响 ,在动力学分析的基础上 ,提出了一种基于内共振原理的柔性欠驱动机械臂振动控制方法。在对系统的稳态周期运动进行分析研究的基础上 ,发现处于自由摆动状态的被动关节的平衡位置随系统结构的振动而发生漂移 ,并且被动关节平衡位置的漂移速度和方向与周期输入的振幅有关。提出利用结构柔性产生的振动实现被动关节位置控制的方法 ,通过平面二连杆柔性欠驱动机械臂进行了仿真计算     

基于输出反馈的柔性航天器变结构跟踪控制方法

为解决柔性航天器姿态机动的控制问题,给出了基于输出反馈的变结构跟踪控制算法。针对柔性航天器的大角度机动,在建立了柔性航天器相对参考轨迹的动力学方程的基础上,设计了仅利用航天器本体的角度和角速度信息的变结构跟踪控制器,使得姿态状态跟踪误差(包括姿态跟踪误差和姿态角速度跟踪误差)以及挠性附件的模态变量从任意的初始状态出发都会到达包含原点的一个闭集内,并且姿态状态跟踪误差能收敛到零,并给出了严格的数学证明。仿真结果证明了所提控制方法的可行性和有效性。     

空间大型机械臂系统载运轨迹优化方法

针对在搬运及组装数十吨级负载过程中,空间站用大型机械臂会对空间站载体姿态产生扰动的问题,提出了一种笛卡尔轨迹参数化方法。利用基于广义雅克比矩阵（GJM）的分解运动速度控制和优化算法来实现基座姿态扰动控制,建立了反映载体姿态变化的目标函数。基于关节运动范围及避免动力学奇异等约束,采用粒子群（PSO）算法进行目标函数的优化,有效降低了空间大型机械臂系统在搬运重型负载过程中对载体姿态的影响。仿真结果验证了算法的有效性。     

基于陀螺稳定座架的移动成图系统活动杆臂补偿技术

陀螺稳定座架和位置姿态系统(Position and Orientation System,POS)一起构成了移动成图系统(Mobile Mapping System,MMS)的稳定控制部分,POS的位置和姿态角必须达到很高的精度才能满足成图需求.提出了基于陀螺稳定座架的活动杆臂补偿技术,利用陀螺稳定座架测量的姿态角对测绘作业过程中卫星天线到POS的活动杆臂进行解算,对POS输出的位置和速度进行变杆臂补偿,获得更加精确的位置和姿态角信息.机载试验结果表明,该算法可以获得高精度的位置信息,且对姿态角精度有一定提高,是一种有效的系统活动杆臂补偿技术.     

基于滑模控制的四旋翼无人机自适应跟踪控制

针对四旋翼无人机在系统内部模型参数不确定性情况下的轨迹跟踪问题,提出了一种基于滑模控制的四旋翼无人机自适应跟踪控制方法。首先,采用单位四元数来描述系统姿态,将系统分解为位置子系统和姿态子系统;考虑到位置子系统的欠驱动特性,引入了虚拟控制力,跟踪位置信息并解算出实际升力和理想姿态;其次,通过自适应滑模控制器补偿了质量和转动惯量的不确定性,实现了轨迹的跟踪;最后,利用Lyapunov理论证明了闭环系统的稳定性。仿真结果表明了算法的有效性。     

欠驱动机器人的动力学耦合奇异研究

欠驱动机械臂的运动只能从动力学水平进行控制,从动关节的运动是通过主动关节的动力学耦合间接控制的。主、被动关节之间的动力学耦合特征与机械臂关节空间的位形有关,因此在欠驱动机械臂运动过程中可能发生动力学耦合奇异,某些被动关节的运动变得不可控。从关节空间和操作空间两个角度分析了欠驱动机械臂的动力学耦合问题,给出从以上两种工作空间度量系统动力学耦合的指标。提出一种基于输入变量非线性变换的滑模变结构控制方法,用于实现欠驱动机械臂操作空间中的连续轨迹控制。通过平面二连杆欠驱动机械臂和只有一个主动关节的平面三连杆欠驱动机械臂进行了仿真,仿真结果证明提出的控制方法是可行的。     

基于逆动力学的柔性连杆机械臂的混合模糊控制

利用假设模态法建立了柔性连杆机械臂的逆动力学方程,提出了一种并行于常规开环逆动力学控制的混合模糊控制方法对其进行末端轨迹跟踪。设计的控制器由两部分组成,一部分为根据结构的逆动力学以及机械臂末端所需跟踪的轨迹计算出控制力;另一部分为通过末端位置的实测与给定轨迹的偏差,利用一个辅助模糊控制对控制量进行调整,构成输出反馈部分。通过数字仿真,并与常规模糊控制结果的比较,表明借助于结构逆动力学,可以降低模糊控制器对知识库的需求,获得较好的控制稳态性能。     

基于碰撞检测的自适应阻抗控制机械臂系统(英文)

针对柔性关节机械臂,本文阐述了机械臂能够像人手一样安全操作的方法。3种方法相结合,以便机械臂能够柔顺的接触操作对象并控制接触力在预设定范围内。首先,提出采用虚拟分解法的笛卡尔阻抗控制用来实现机械臂在笛卡尔空间的柔顺控制。其次,引入自适应关节动态补偿器使得机械臂能够实施更为精确的控制。最后,设计了基于笛卡尔力反馈的实时路径规划,从而使机械臂能够检测碰撞并控制接触力。基于碰撞检测的自适应阻抗控制器能够简化其在机械臂上的实施,保持机械臂对环境的友好操作,并且严格满足系统的全局稳定性。实验在4自由度的卫星在轨自维护机械臂平台得以验证。碰撞检测实验和轨迹跟踪实验结果证明了所提出方法的有效性和可行性。     

基于摩擦补偿的空间机械臂关节高精度控制研究

空间机械臂关节具有大惯量、高精度的特点,针对空间机械臂关节低速、高精度控制要求,提出一种基于摩擦补偿的双位置闭环控制策略。建立了考虑摩擦和惯量变化等因素的一体化关节动力学模型,分析了全位置闭环系统的稳定性,在此基础上提出了一种基于双位置传感器信息的闭环伺服控制策略,并引入自适应率辨识未知摩擦和惯量变化,利用Lyapunov函数证明闭环系统的稳定性和跟踪误差的渐进收敛性。在测试平台上的试验结果表明,提出的空间机械臂一体化关节伺服控制策略能够有效地提高关节伺服控制精度和系统鲁棒性。     

柔性杆系统压电扭转致动器/传感器优化配置研究

 针对空间柔性杆系统的扭转振动问题,提出了一类由柔性杆、电阻应变片传感器、压电扭转致动器组成的柔性杆系统。为了研究此系统的扭转振动,运用拉格朗日方程和假设模态法建立了系统的动力学方程。针对柔性杆系统中压电扭转致动器、传感器的优化配置问题,提出一种基于最小输入能量、最大能量传递、Grammian矩阵最小奇异值最大化的复合优化策略,采用遗传算法对致动器/传感器的位置进行了搜索,找到了最优位置位于柔性杆的根部。进行了数值分析研究,结果表明,与其他位置相比,最优位置最有利于致动器实施控制,同时也最有利于传感器的观测。