基于无源性的移动机械臂位置/力的自抗扰控制方法技术

本发明专利技术涉及移动机械臂位置/力的控制，为实现移动机械臂在动力学模型不确定及外部扰动同时存在的条件下的精确控制，为此，本发明专利技术采用的技术方案是，基于无源性的移动机械臂位置/力的自抗扰控制方法，采用线性扩张状态观测器LESO观测动力学模型的不确定性及系统外部扰动，并利用基于移动机械臂系统无源特性设计的控制器来补偿观测器所观测的总扰动，具体地，利用线性扩张状态观测器LESO主动从被控对象的输入输出信号中把扰动的信息提炼出来，在扰动影响系统之前用控制信号将干扰消除。本发明专利技术主要应用于移动机械臂位置/力的控制场合。

【技术实现步骤摘要】
基于无源性的移动机械臂位置/力的自抗扰控制方法
本专利技术涉及一种移动机械臂位置/力的控制问题。针对移动机械臂控制系统存在的动力学模型不确定及外部扰动问题，提出一种基于移动机械臂系统无源特性的自抗扰控制方法。
技术介绍
移动机械臂是将机械臂固定在移动平台上而构成的一类移动机器人系统。它是一类典型的强耦合、非线性的多输入多输出系统。移动平台和机械臂都有复杂的动力学模型，并且在实际操作中要受到诸如关节摩擦力、动力学参数变化等因素的影响，难以得到精确的动力学模型。此外，移动机械臂在实际应用中容易受到外部干扰，比如地面摩擦力变化、外力扰动等。动力学模型的不确定性及外部扰动使得全方位移动机械臂位置/力的稳定控制变得尤为困难。如何在控制系统存在模型不确定及外部扰动的情况下，提高系统的鲁棒性，实现移动机械臂位置/力的稳定、精确控制成为移动机械臂研究领域的一个热点问题。针对移动机械臂控制系统存在动力学模型不确定及外部扰动情况下的控制问题，国内外很多团队进行了深入研究，如日本茨城大学、英国格拉斯哥大学、亚里士多德大学、北海道大学、中国科学院自动化研究所、清华大学、华南理工大学、湖南大学等。日本茨城大学的学者研究了移动平台和机械手之间的动力学耦合作用对控制性能的影响，利用仿真说明了由平台运动引起的对机械手的动力学耦合对控制精度有较大影响，反之则影响较小。(期刊：IEEETRANSACTIONSONROBOTICSANDAUTOMATION；著者:YoshioYamamoto,XiaopingYun；出版年月:1996；文章题目：EffectoftheDynamicInteractiononCoordinatedControlofMobileManipulators,页码：816-824)。北海道大学的学者基于模糊理论设计了模糊补偿器用于补偿动力学不确定性和外部扰动，并基于反步法设计了自适应控制器，最终利用仿真实验证明了算法的有效性。(期刊：NonlinearDynamics；著者：G.Zhong,Y.Kobayashi,Y.Hoshino,etal；出版年月：2013；文章题目：Systemmodelingandtrackingcontrolofmobilemanipulatorsubjectedtodynamicinteractionanduncertainty，页码：167-182)。中国科学院自动化研究所的学者建立了全方位移动机械手的一体化动力学模型，定量分析了移动平台运动状态对机械手的耦合作用，并提出了不确定性和扰动同时存在情况下基于神经网络和滑模控制的鲁棒控制器，最后进行了仿真验证。(期刊：机械工程学报；著者：谭湘敏，赵冬斌，易建强等；出版年月：2009；文章题目：全方位运动控制I—建模与控制，页码：35-41)(期刊：机械工程学报；著者：谭湘敏，赵冬斌，易建强等；出版年月：2009；文章题目：全方位运动控制II—鲁棒控制，页码：42-49)(期刊：IEEETransactionsonCybernetics；著者：DongX,DongbinZ,JianqiangY,etal；出版年月：2009；文章题目：TrajectoryTrackingControlofOmnidirectionalWheeledMobileManipulators:RobustNeuralNetwork-basedSlidingModeApproach，页码：788-799)。华南理工大学的学者针对上述问题依据移动机械臂模型参数的特性，设计了自适应鲁棒控制器，并进行了仿真验证。(期刊：IEEETransactionsonSystemsMan&CyberneticsPartBCybernetics；著者：LiZ,ShuzhiSamG,AiguoM；出版年月：2007；文章题目：AdaptiveRobustMotion/ForceControlofHolonomic-ConstrainedNonholonomicMobileManipulators，页码：607-616)。印度理工学院的学者针对上述问题设计了基于前馈神经网络的自适应补偿器来补偿系统不确定性及系统外扰，并利用仿真验证了算法的有效性。(会议：InternationalConferenceonHybridIntelligentSystems；著者：HPSingh，NSukavanam；出版年月：2012；文章题目：Neuralnetworkbasedadaptivecompensatorformotion/forcecontrolofconstrainedmobilemanipulatorswithuncertainties；页码：253-258)。
技术实现思路
为克服现有技术的不足，本专利技术旨在实现移动机械臂在动力学模型不确定及外部扰动同时存在的条件下的精确控制，为此，本专利技术采用的技术方案是，基于无源性的移动机械臂位置/力的自抗扰控制方法，采用线性扩张状态观测器LESO观测动力学模型的不确定性及系统外部扰动，并利用基于移动机械臂系统无源特性设计的控制器来补偿观测器所观测的总扰动，具体地，利用线性扩张状态观测器LESO主动从被控对象的输入输出信号中把扰动的信息提炼出来，在扰动影响系统之前用控制信号将干扰消除。具体步骤细化如下：步骤一：定义惯性坐标系{W}，基于拉格朗日方程建立移动机械臂一体化动力学模型，并用一个未知矩阵表示系统的总扰动，包括模型参数变化、机械臂关节之间的摩擦、移动平台与机械臂之间的耦合作用以及外部干扰，得到移动机械臂受到干扰时的动力学模型：式中，q＝[q1,...,qn]T∈Rn表示移动机械臂在惯性坐标系下的广义坐标，[·]T表示矩阵的转置，∈表示集合间的“属于”关系，n表示移动机械臂的自由度，M(q)∈Rn×n表示惯性矩阵，Rn×n表示n行n列的实数向量，表示离心力矩和哥氏力矩；G(q)∈Rn表示重力力矩；d(t)＝[d1d2...dn]T表示系统的总扰动；τ∈Rn表示控制输入，τf＝JTλ∈Rn表示与外界接触所产生的约束力矩，J∈Rn×m表示几何约束雅克比矩阵，m表示几何约束的维度，λ∈Rm表示与几何约束相关的拉格朗日算子；步骤二：根据动力学模型(1)设计线性扩张状态观测器，定义：D(t)＝-M(q)-1d(t)，之后将式(1)改写为：定义状态变量x1＝q,x3＝D(t)，其中x3为扩张状态变量，根据式(2)移动机械臂系统状态空间方程描述为：设定zi(i＝1,2,3)为状态变量xi的估计值，则线性扩张状态观测器设计为：其中，β1＝diag(3ωo,...,3ωo)n，ωo表示观测器带宽，是扩张状态观测器仅有的一个需要调节的参数，根据已有文献的分析，扩张状态观测器的观测误差是有界输入有界输出稳定的；由定义可知，z3为状态变量x3的估计值，因此系统总扰动d(t)的估计值为：d(t)＝-M(q)z3(5)步骤三：设计基于系统无源特性的控制器，控制器由两部分组成，一部分用于补偿系统扰动，一部分用于进行位置/力的控制；位置/力的控制部分设计为：其中，e＝q-qd，q与qd分别是实际轨迹与期望轨迹；ef＝τf-τfd，τfd表示期望接触力；控制器中的参数满足根本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于无源性的移动机械臂位置/力的自抗扰控制方法，其特征是，采用线性扩张状态观测器LESO观测动力学模型的不确定性及系统外部扰动，并利用基于移动机械臂系统无源特性设计的控制器来补偿观测器所观测的总扰动，具体地，利用线性扩张状态观测器LESO主动从被控对象的输入输出信号中把扰动的信息提炼出来，在扰动影响系统之前用控制信号将干扰消除。

【技术特征摘要】
1.一种基于无源性的移动机械臂位置/力的自抗扰控制方法，其特征是，采用线性扩张状态观测器LESO观测动力学模型的不确定性及系统外部扰动，并利用基于移动机械臂系统无源特性设计的控制器来补偿观测器所观测的总扰动，具体地，利用线性扩张状态观测器LESO主动从被控对象的输入输出信号中把扰动的信息提炼出来，在扰动影响系统之前用控制信号将干扰消除。2.如权利要求1所述的基于无源性的移动机械臂位置/力的自抗扰控制方法，其特征是，具体步骤细化如下：步骤一：定义惯性坐标系{W}，基于拉格朗日方程建立移动机械臂一体化动力学模型，并用一个未知矩阵表示系统的总扰动，包括模型参数变化、机械臂关节之间的摩擦、移动平台与机械臂之间的耦合作用以及外部干扰，得到移动机械臂受到干扰时的动力学模型：式中，q＝[q1,...,qn]T∈Rn表示移动机械臂在惯性坐标系下的广义坐标，[·]T表示矩阵的转置，∈表示集合间的“属于”关系，n表示移动机械臂的自由度，M(q)∈Rn×n表示惯性矩阵，Rn×n表示n行n列的实数向量，表示离心力矩和哥氏力矩；G(q)∈Rn表示重力力矩；d(t)＝[d1d2...dn]T表示系统的总扰动；τ∈Rn表示控制输入，τf＝JTλ∈Rn表示与外界接触所产生的约束力矩，J∈Rn×m表示几何约束雅克比矩阵，m表示几何约束的维度，λ∈Rm表示与几何约束相关的拉格朗日算子；步骤二：根据动力学模型(1)设计线性扩张状态观测器，定义：D(t)＝-M(q)-1d(t)，之后将式(1)改写为：定义状态变量x1＝q,x3＝D(t)，其中x3为扩张状态变量，根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：任超，韦冬梅，马书根，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12