串并联混合型末端执行器设计与柔顺控制研究

包含末端执行器设计及柔顺控制方法的在轨柔顺抓捕技术是空间机械臂进行空间探索与实验的基础。基于DELTA型并联机械臂,拓展设计了针对非合作目标抓捕的空间机械臂串并联混合型末端执行器及其基于主动柔顺控制的位置-力阻抗控制器。利用ADAMS与MATLAB对末端执行器系统进行了控制仿真,分析了影响柔顺抓捕控制的关键参数。结果证明设计的末端执行器可以有效地对非合作目标进行抓捕,且抓捕具有一定的柔顺特性;表明影响柔顺抓捕控制的关键环境阻抗参数为环境刚度。     

基于阻抗内环的新型力外环控制策略

对于空间装配等与环境进行交互的任务,迫切要求空间机器人具有力控制的能力。利用机器人的关节力矩传感器,提出了一种新型的基于阻抗内环的力外环控制策略。在该方法中,内环采用阻抗控制代替传统的位置控制。阻抗控制内环使机器人具有一定的柔顺性,力外环通过期望力与实际力的误差对内环的参考轨迹进行修正,实现了机器人的力跟踪控制。另外,为了验证利用关节力矩传感器间接测量末端接触力的效果,机器人末端安装了一个高精度的JR3腕力传感器用来直接测量实际接触力。在基于位置内环和阻抗内环的力外环控制方式下,进行了机器人接触刚度变化较大环境（海绵、泡沫和铁块）的力跟踪实验。实验表明,当环境刚度变化较大时,相对于传统的力外环方法,本文提出的方法能够实现稳定的力跟踪性能。尤其对于铁块这种刚度很大的环境,该方法的有效性更加明显。     

一种基于位置阻抗的机械臂抓捕飞行器控制方法

针对机械臂抓捕飞行器过程碰撞冲击大或发生大构型变化易碰撞问题,提出并实现了一种基于位置闭环的阻抗控制方法,通过对机械臂末端等效刚度控制实现机械臂抓捕目标过程的柔顺控制,基于建立的系统全数字仿真模型对控制效果进行了仿真验证,结果表明阻抗控制软抓捕与位置保持硬抓捕相比,可大幅减小机械臂抓捕目标过程末端与目标间的碰撞冲击力,并且能控制机械臂构型在抓捕中不产生过大变化从而避免碰撞。     

面向空间机械臂遥操作任务的客观绩效指标分析

面向空间站背景下的机械臂遥操作任务,总结并提出了11项操作者在手柄操作中的客观绩效指标,基于机械臂遥操作仿真平台进行了机械臂转移对接操作实验。实验结果表明:提供数值信息对多项操作绩效指标有提升作用,4摄像机布置方案在到达关节限位次数指标上优于2摄像机布置方案;关节限位次数、错误操作次数、手柄控制效率等几项指标,可以预测是否能够成功完成对接任务。提出的手柄控制效率指标能够预测操作用时以及到达限位位置风险等核心指标,可用于综合评价实验任务中人的操作效率。     

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。     

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。     

基于Kinect的七自由度空间机械臂体感控制方法

针对七自由度空间机械臂的体感控制问题,提出了一种基于操作周期和运动周期的增量式关节角人机运动映射方法。使用Kinect传感器采集人体关节点坐标数据并使用空间向量法计算关节角,根据关节角增量及手势命令计算得到机械臂关节角。为解决关节坐标数据的抖动与失真问题,分析了Kinect对不同关节点采集的数据精度的关系,并给出一种限幅平滑滤波算法。结合上述结果,提出对操作周期进行分段的方法,并给出了优化后的体感控制算法。最后,搭建了空间机械臂体感控制的仿真试验平台,在Unity中搭建仿真试验场景,经体感控制下的空间机械臂运动试验验证了所提出方法的可行性。     

基于阻抗控制的空间机械臂目标捕获技术研究

针对7自由度空间机械臂在目标捕获过程中的应用,根据机械臂末端执行器与目标适配器导向插入过程中存在接触碰撞的特点,提出一种阻抗控制方法,将机械臂末端测量的反作用力和力矩转化为位置增量,从而提高机械臂的主动柔性。并建立MATLAB/ADAMS联合仿真模型进行仿真验证,利用ADAMS的碰撞模型模拟接触捕获时的力学过程。仿真结果表明,本文提出的阻抗控制方法可以减小机械臂末端作用力和关节的驱动力矩,补偿了机械臂位置控制的误差,从而保证了机械臂对目标的捕获精度。     

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。     

空间机械臂辅助大质量舱体对接阻抗控制方法

针对空间机械臂辅助大质量舱体对接任务中,由于大臂展机械臂柔性、控制误差、机械误差等因素,导致末端位置精度差、对接机构偏离对中位带来的对接困难的问题,提出采用阻抗控制的方法。分析了对接任务中的模拟对接机构的特性,发现其受到的碰撞力与对中位姿偏离方向具有一致性,验证了阻抗控制算法的可行性;针对六维力传感器安装位置距离对接机构较远、惯性力影响严重的问题,提出了六维力信号补偿算法,保证了阻抗控制计算的正确性;进行了仿真实验,结果表明采用阻抗控制算法能在保证对接成功的前提下,有效减小接触力大小。     

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。     

Nonlinear adaptive flight control system: Performance enhancement and validation

The problem of decreasing stability margins in L₁ adaptive control systems is discussed and an out-of-loop L₁ adaptive control scheme based on Lyapunov’s stability theorem is proposed. This scheme enhances the effectiveness of the adaptation, which ensures that the system has sufficient stability margins to achieve the desired performance under parametric uncertainty, additional delays, and actuator faults. The stability of the developed control system is demonstrated through a series of simulations. Compared with an existing control scheme, the constant adjustment of the stability margins by the proposed adaptive scheme allows their range to be extended by a factor of 4–5, bringing the stability margin close to that of variable gain PD control with adaptively scheduled gains. The engineered practicability of adaptive technology is verified. A series of flight tests verify the practicability of the designed adaptive technology. The results of these tests demonstrate the enhanced performance of the proposed control scheme with nonlinear parameter estimations under insufficient stability margins and validate its robustness in the event of actuator failures.     

HUMAN-IMITATING INTELLIGENT CONTROL AND TRIPLE INVERTED-PENDULUM

ＨＵＭＡＮ－ＩＭＩＴＡＴＩＮＧＩＮＴＥＬＬＩＧＥＮＴＣＯＮＴＲＯＬＡＮＤＴＲＩＰＬＥＩＮＶＥＲＴＥＤ－ＰＥＮＤＵＬＵＭ￥ＺｈａｎｇＭｉｎｇｌｉａｎ；ＨａｏＪｉａｎｋａｎｇ；ＨｅＷｅｉｄｏｎｇ（３０５，ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｃＣｏｎｔ...     

电液力伺服系统的神经网络并行自适应预测 PI 控制

考虑电液伺服系统的复杂非线性和不确定性特性,提出一类基于神经网络的并行自适应预测PI控制结构,该结构使控制参数的调整和系统的实时控制操作可并行进行,不仅做到了神经模型和控制器的在线辨识和设计,而且避免了神经网络方法通常存在的实时控制的困难,使复杂系统的在线学习控制成为可能。仿真结果表明该控制器具有良好的适应性和鲁棒性。      

DECENTRALIZED ROBUST CONTROL FOR UNCERTAIN FLEXIBLE SPACE STATION

ＤＥＣＥＮＴＲＡＬＩＺＥＤＲＯＢＵＳＴＣＯＮＴＲＯＬＦＯＲＵＮＣＥＲＴＡＩＮＦＬＥＸＩＢＬＥＳＰＡＣＥＳＴＡＴＩＯＮＷａｎｇＱｉｎｇ；ＣｈｅｎＸｉｎｈａｉ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，ＮｏｒｔｈｔｖｅｓｔｅｒｎＰｃｌｙｔｅｃｈｎｉｃａ...     

Pattern control for large-scale spacecraft swarms in elliptic orbits via density fields

Space swarms, enabled by the miniaturization of spacecraft, have the potential capability to lower costs, increase efficiencies, and broaden the horizons of space missions. The formation control problem of large-scale spacecraft swarms flying around an elliptic orbit is considered. The objective is to drive the entire formation to produce a specified spatial pattern. The relative motion between agents becomes complicated as the number of agents increases. Hence, a density-based method is adopted...     

H∞ output tracking control for flight control systems with time-varying delay

For flight control systems with time-varying delay, an H∞ output tracking controller is proposed. The controller is designed for the discrete-time state-space model of general aircraft to reduce the effects of uncertainties of the mathematical model, external disturbances, and bounded time-varying delay. It is assumed that the feedback-control loop is closed by the communication network, and the network-based control architecture induces time-delays in the feedback information. Suppose that the time delay has both an upper bound and a lower bound. By using the Lyapu- nov-Krasovskii function and the linear matrix inequality （LMI）, the delay-dependent stability criterion is derived for the time-delay system. Based on the criterion, a state-feedback H∞ output tracking controller for systems with norm-bounded uncertainties and time-varying delay is presented. The control scheme is applied to the high incidence research model （HIRM）, which shows the effectiveness of the proposed approach.     

Event-triggered and consensus-based attitude tracking alignment for discrete-time multiple spacecraft system exploiting interference

This paper presents a discrete-time attitude control strategy with equi-global practical stabilizability for aligning the attitude of multiple spacecraft to a predesigned configuration according to a time-variant reference. By utilizing the interference of the wireless channel, the communication scheme designed in this paper can save communication resources, amount of computation, and energy proportionally to the number of spacecraft. The exact discrete-time model and approximate discrete-time model of the consensus-based spacecraft tracking system are given. Then the framework for the design of an event-triggered control scheme for the exact discrete-time system via its approximate models is developed, which avoids the periodic actuation, and Zeno behavior is proved to be excluded. Furthermore, the control scheme can handle the presence of the unknown fading channel. Finally, simulation results are presented to demonstrate the effectiveness of the control strategy.     

NONLINEAR DYNAMIC INVERSION CONTROL WITH ADAPTIVE COMPENSATION FOR FLIGHT CONTROL SYSTEM

ＮＯＮＬＩＮＥＡＲＤＹＮＡＭＩＣＩＮＶＥＲＳＩＯＮＣＯＮＴＲＯＬＷＩＴＨＡＤＡＰＴＩＶＥＣＯＭＰＥＮＳＡＴＩＯＮＦＯＲＦＬＩＧＨＴＣＯＮＴＲＯＬＳＹＳＴＥＭＸｕＪｕｎ，ＺｈａｎｇＭｉｎｇｌｉａｎ，ＬｉＹｏｕｌｉａｎｇ（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＡｕｔｏ...     

自适应笛卡尔网格超声速黏性流动数值模拟

复杂外形/流场的高质量网格的生成往往需要占用大量人力资源,而自适应笛卡尔网格方法能够自动化生成高质量网格,具有很好的工程实用价值和应用前景。基于笛卡尔网格方法,采用叉树数据结构进行数据的存储和访问,分别从几何特征和流场解特征出发进行网格的自适应加密和粗化,发展了一种二维情况下自动、高效的自适应笛卡尔网格生成方法。从浸入边界方法出发,结合虚拟镜像对称方法和曲率修正技术进行黏性物面边界条件的处理,同时建立了多值点问题的处理技术,发展了一种在笛卡尔网格下可有效模拟黏性物面边界条件的方法。针对自适应笛卡尔网格非均匀的特点,发展了悬挂网格的处理方法,并构建了适用于自适应笛卡尔网格的黏性数值求解器。通过典型算例的考核,验证了所发展的自适应笛卡尔网格生成技术和构建的数值求解器具有较高的精度和可靠性。