风洞试验绳牵引并联支撑技术研究进展

新型飞行器的研制越发强调先进的飞行性能,这对风洞试验模型支撑技术提出了高的要求,为扩展风洞试验的能力,迫切需要研究新型的智能支撑技术。绳牵引并联支撑是基于机器人技术的一种新型机构,具有刚度较大,动态性能良好等优点,为风洞试验提供了一种新的手段。首先,全面论述了绳系支撑在风洞试验中的应用,并给出动态分析;进一步根据绳牵引并联支撑技术的特点,将其分为可实现受迫运动的冗余约束支撑,以及可实现受迫+自由运动的欠约束支撑;其次,重点阐述了冗余约束与欠约束两类支撑系统的若干关键技术问题及其研究进展;最后,指出绳牵引并联支撑技术的发展方向是具有可重构性和智能化。可为绳牵引并联支撑技术在风洞试验中的工程应用提供一定的理论指导与技术支持。     

扑翼的变刚度设计及其对升力和推力的影响

为提高扑翼飞行器的升力和推力以提高其飞行性能,运用生物扑翼的仿生原理,研究扑翼飞行器的扑翼升力和扑翼推力随扑翼刚度变化的机理。借鉴"变刚度关节机构和平面转动冗余并联机构通过调节张力改变刚度"这一机构学原理,运用变刚度关节机构相互串联实现扑翼在扑动方向上变刚度,同时运用平面转动冗余并联机构实现扑翼在扭转方向上变刚度。建立扑翼的扑动关节刚度和扭转机构刚度随预张力变化的模型,并通过实验和仿真验证扑翼扑动关节刚度和扭转机构刚度随预张力的变化。研究扑翼的升力和推力与扑翼刚度之间的关系,验证了通过调节扑翼刚度匹配其扑动频率可以提高扑翼的升力和推力。     

基于刚度优化的绳牵引并联支撑系统力/位混合控制

针对应用于风洞试验的八绳牵引并联支撑系统高性能运动控制问题,开展绳索张力实时优化与力/位混合控制技术研究。基于动态试验需求和系统刚度矩阵,选择主刚度加权和最大为目标函数,将其转化为线性规划问题,采用二维凸多边形张力可行域顶点法进行实时求解,并根据绳索张力变化约束进一步提出连续可行域,确保解的连续性,实现其优化分布;设计一种基于电机转角和绳索张力反馈的力/位混合控制策略,其中位姿控制环采用计算力矩法,并利用实际绳索张力补偿惯性力和非线性力等,进而开展稳定性分析。以风洞试验中典型的推力模拟、俯仰振荡等线位移和角运动轨迹为例,在原理样机上开展控制验证实验。研究结果表明该控制策略能够实现对末端飞行器模型位姿和绳索张力的有效跟踪,且具有较高的精度和良好的稳定性,可以为绳牵引并联支撑在风洞动态试验中的应用提供技术支持。     

低速风洞飞行器模型编队飞行绳系并联支撑机构

设计了一种用于飞行器双机编队飞行的风洞试验模型绳系并联支撑机构,模拟在周边有障碍物的有限空间通道中的飞行运动。以直升机为例,根据工况参数设计了双绳牵引并联机构作为飞行器模型的支撑,建立了基于可移动的滑轮铰点与直升机模型编队协同飞行的运动学模型,对系统的静刚度进行了分析,并通过试验验证了旋翼转动对该绳系支撑系统动刚度的影响,给出了在有限空间通道中模拟双机编队飞行与着陆过程中绳与绳之间、绳与模型之间的干涉算法,并对该支撑机构的绳系结构进行了干涉分析。结果表明,所设计的支撑机构能有效解决模拟飞行器模型双机编队在有限空间中飞行运动时的支撑干涉问题,而且系统刚度达到低速风洞试验的稳定性要求,是低速风洞中支撑飞行器模型进行编队飞行试验的有效解决方案。     

欠驱动直连式三体绳系卫星非线性姿态跟踪控制

针对存在外部有界干扰和控制饱和的欠驱动直连式三体旋转绳系卫星系统姿态跟踪控制问题,提出了一种分布式非线性控制方法。首先考虑单体欠驱动绳系卫星姿态模型,由于其复杂的非完整动力学特性,应用微分同胚映射的方法先将模型进行转换,进一步基于反步法设计了欠驱动姿态跟踪滑模控制器,并结合抗饱和方法解决了控制受限的问题。然后应用Lyapunov稳定性定理证明了其闭环系统的一致最终有界性。进一步考虑绳系卫星系统的运动同步性,将欠驱动单体绳系卫星姿态控制器设计扩展至直连式三体绳系卫星姿态系统,设计了分布式欠驱动非线性控制器。最后进行了数学仿真,验证了本文所设计控制方法的有效性。     

高超声速飞行器自适应反步控制器设计

针对含有不确定干扰项的吸气式高超声速飞行器模型,分别设计了基于反馈线性化的速度控制器和基于反步法的航迹控制器,以实现对速度和航迹角参考信号的稳定跟踪。通过指令滤波器得到俯仰角的实际跟踪指令及其一阶、二阶微分信号,可直接设计升降舵控制指令,在解决了虚拟控制量求导"复杂性爆炸"问题的同时,减少了反推计算步数,从而达到提高系统动态性能和优化控制器结构的目的。基于LaSalle不变集原理和Lyapunov理论设计的自适应更新律保证了系统的稳定性。仿真结果表明,所设计的控制器在飞行器存在不确定干扰的情况下仍能满足对参考信号跟踪性能的要求。     

近空间可变翼飞行器小翼切换滑模反步控制

针对近空间可变翼飞行器在小翼切换过程中存在参数不确定性的问题,设计了滑模控制和反步法相结合的控制方法以保证飞行器的跟踪性能。首先研究了近空间可变翼飞行器的纵向运动模型,在此基础上设计了速度和高度的反步控制器,同时采用动态面控制方法消除微分膨胀问题,然后结合滑模控制以增强控制器的跟踪性能,最后基于Lyapunov稳定性理论证明了系统的稳定性。仿真结果表明,在参数不确定性时滑模反步控制器能保证系统的稳定性和跟踪性能。     

折叠翼飞行器发射段鲁棒非线性控制系统设计

为解决折叠翼飞行器在发射段各项特性变化较大、对飞行控制律鲁棒性要求较高的问题,设计了一种以块控反步法为基础的自适应鲁棒非线性控制器.在发射段动态模型基础上,该控制器采用径向基函数( RBF)神经网络自适应逼近飞行器特性变化时的系统未知不确定性和干扰,通过在虚拟控制律中引入动态面控制技术避免多重微分运算,克服了传统反步法...     

基于跟踪微分器的高超声速飞行器Backstepping控制

针对存在模型参数不确定和外部干扰的高超声速飞行器（HFV）跟踪控制问题,提出一种基于Backstepping方法的抗饱和非线性控制器。将飞行器纵向动力学模型分为速度子系统和航迹倾角子系统,然后针对每个子系统单独设计控制器。设计跟踪微分器获得信号的一阶导数,用以估计系统中的不确定干扰项和避免"微分项膨胀"问题。控制器设计过程考虑了控制量发生饱和的情况。基于Lyapunov理论证明了闭环系统信号的稳定性。与传统高超声速飞行器Backstepping方法相比,所设计的控制器采用待跟踪状态与理想控制指令之间的实际误差作为反馈量,放宽了对系统干扰项的限制,提高了控制器对控制增益变化的适应性,进而提高了闭环系统的跟踪控制性能。对比仿真结果验证了所设计方法的有效性。     

基于L1自适应推力矢量型V/STOL飞行器增稳控制

针对推力矢量型V/STOL飞行器起降过渡阶段动力系统转换过程存在的控制量耦合与冗余问题,设计了相应的内环增稳控制器和控制分配策略。首先,利用喷射气流效应经验公式建立了带升力损失项的动力系统与飞行动力学模型。然后,采用非线性动态逆方法设计了外环控制律,采用L1自适应控制方法设计了内环控制律,以补偿系统建模误差及参数不确定性的影响。最后,根据控制冗余度,基于效能分配准则设计了控制分配策略,实现了控制解耦,并进行了仿真验证。蒙特卡洛打靶仿真结果表明,即使存在较大参数摄动,控制器仍然可以很好地跟踪参考输入,这说明设计的控制器控制性能与鲁棒性良好。     

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。     

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。     

冗余度柔性机器人动态响应主动控制

研究了具有压电作动器与应变传感器的冗余度柔性机器人的振动主动控制问题。建立了该离散时变动力学系统的状态空间表达式。根据离散量小值原理设计了LQR最优控制律，并提出了一种状态估计的近似方法。平面3R冗余度柔性机器人的仿真算例表明，采用这种主动控制方法可使冗余度柔性机器人的动力学特性得到显改善。     

Impact vibration reduction for flexible manipulators via controllable local degrees of freedom

When performing operation tasks, the interaction between a flexible manipulator and a grasped object usually results in an impact. In this paper, a new way is suggested to alleviate impact vibration of a flexible manipulator via its structural characteristic when capturing a moving object. Controllable local degrees of freedom are introduced to the topological structure of the flexible manipulator, and used as an effective tool to combat impact vibration through dynamic coupling. A corresponding method is put forward to reduce impact vibration responses of the flexible manip- ulator via the controllable local degrees of freedom. By planning motion of the controllable local degrees of freedom, appropriate control force can be constructed to increase the modal damping and stiffness and eliminate the exciting force simultaneously, thereby reducing impact vibration responses of the flexible manipulator. Simulations are conducted and results are shown to prove the presented method.     

柔性冗余度机器人改善频率特性的研究

对改善柔性冗余度机器人的频率特性进行了研究。首先分析了影响柔性机器人固有频率的因素,得出了在结构参数不变的情况下可以通过适当调整关节运动参数来提高机器人固有频率的结论。然后分析了机器人的自运动与关节运动参数之间的关系。在此基础上,提出了在保证末端名义运动不变的情况下通过规划柔性冗余度机器人的自运动调整关节运动参数来提高系统的固有频率,以避开动力奇异并改善机器人动态性能的方法,此外给出了相应的优化算法。最后通过数值仿真验证了该方法的有效性。     

利用二次优化实现柔性冗余度机器人关节力矩最小化研究

对基于振动抑制的柔性冗余度机器人关节力矩的最小化进行了研究。通过分析影响柔性机器人弹性动力响应的因素,得出了在结构参数不变的情况下可以通过适当调整关节运动参数来提高机器人动态性能的结论。在此基础上,通过对柔性冗余度机器人的关节运动进行研究,提出了通过自运动的适当选取从而抑制机器人柔性振动的方法。通过对满足抑振要求的自运动的选取进行分析,指出柔性冗余度机器人在实现振动抑制的基础上还具有二次优化的能力,并且利用这种二次优化的能力得出了基于振动抑制的最小化关节力矩的方法。数值仿真验证了该方法的有效性。     

基于机敏材料的冗余度柔性机器人复模态主动控制

研究了基于机敏材料的冗余度柔性机器人的振动主动控制问题。应用复模态理论对机器人的动力学方程进行解耦 ,建立了受控系统的状态空间表达式。利用极小值原理设计了连续LQR状态反馈控制器 ,并根据对偶原理设计了具有指定稳定度的Luenberger全维状态观测器。平面 3R冗余度柔性机器人的仿真算例表明 ,该方法可以显著改善受控系统的动力学性能。     

Vibration Reduction of Open-chain Flexible Manipulators by Optimizing Independent Motions of Branch Links

In order to suppress vibration in flexible manipulators, a new type of manipulator mechanism with controllable local degrees of freedom is proposed. This mechanism consists of a main chain and some branch links. The main chain is of a flexible open-chain configuration with an end-effector installed at its tip, and the rigid branch links are able to perform active movements. It is proved by kinematics and dynamic analysis that, the branch links bear no direct kinematic relation to the main chain, but their independent motions can strongly affect the dynamic behavior and performance of the flexible manipulator. Then comes a new idea of suppressing vibration, in which independent motions of the branch links are used to suppress the undesired vibration of the flexible main chain through dynamic coupling. On this basis, an optimal method for reducing vibration of flexible manipulators is proposed. Finally, the effectiveness of this method is verified by numerical simulations.     

平面三连杆欠驱动机械臂谐波函数控制方法

对一种平面三连杆欠驱动机械臂的稳态周期运动进行了理论分析和计算仿真,发现对于确定的欠驱动机器人系统,给系统中的主动关节施加合适的控制,被动关节出现一种"螺旋运动",而且螺旋运动速度与输入振幅和频率有关。在此基础上提出两种欠驱动机械臂位置控制的谐波函数控制方法,通过仿真验证了这种控制方法的有效性。     

Adaptive fuzzy terminal sliding mode control for the free-floating space manipulator with free-swinging joint failure

Space manipulator with free-swinging joint failure simultaneously contains kinematic and dynamic coupling relationships, so it belongs to a new underactuated system. To allow the manipulator to carry on tasks, an effective robust underactuated control method for the space manipulator with free-swinging joint failure is studied in this paper. Considering the effect of model uncertainty and joint torque disturbance, a robust underactuated control system based on the Terminal Sliding Mode Controller (TSMC) is designed, but two drawbacks are discussed: (A) Robustness depraves with eliminating chattering. (B) Control parameters are difficult to be determined under unknown uncertainty and disturbance. To improve the TSMC, the adaptive fuzzy controller is introduced to estimate the real effect of unknown uncertainty and disturbance according to deviations of sliding mode and its reaching law. The estimated result is directly compensated into active joints torque. In simulation, the space manipulator with free-swinging joint executes tasks based on the TSMC and the Adaptive Fuzzy Terminal Sliding Mode Controller (AFTSMC) respectively. Same tasks can be finished with smaller joints torque and stronger robustness based on the AFTSMC. Therefore, AFTSMC can serve as an effective robust control method for the space manipulator with free-swinging joint failure under unknown model uncertainty and torque disturbance.