一种绳系机器人逼近目标位姿一体化控制方法技术

本发明专利技术公开了一种绳系机器人逼近目标位姿一体化控制方法，包括以下步骤：1)绳系机器人位姿动力学模型建立；2)干扰观测器设计；3)控制器设计；4)控制力/力矩分配。本发明专利技术通过建立绳系机器人位姿动力学模型，设计了一种干扰观测器对未建模偏差以及环境干扰进行估计，并设计了目标位姿跟踪一体化控制方法。此外，本发明专利技术充分考虑了绳系机器人的姿轨耦合特性，进而实现现在绳系机器人对目标逼近过程中充分利用系绳对其位姿进行一体化控制。

【技术实现步骤摘要】
一种绳系机器人逼近目标位姿一体化控制方法
本专利技术属于机器人控制技术研究领域，具体涉及一种绳系机器人逼近过程，利用系绳与自身执行器实现位姿一体化跟踪控制方法。
技术介绍
绳系机器人由操作平台，系绳，以及操作手构成，具有灵活、安全，操作距离远等特点，属于比较具有应用前景的服务机器人，可执行对目标逼近抓捕、稳定以及拖曳等任务，可广泛应用于航天航空航海等领域。绳系机器人对目标进行逼近是其实施一系列任务的前提。考虑到航空，航天及航海中采用的绳系机器人结构的相似性，均包含操作平台，系绳，以及操作手，可建立一个通用模型对其进行描述。在任务过程中，操作平台可以通过系绳可以对操作手施加控制力及控制力矩。但需要指出的是，在一般条件下系绳无法仅施加控制力或控制力矩。这是由于系绳张力矢量并不总是通过操作手质心。其在动力学上体现为位姿动力学耦合。对绳系机器人姿态和位置进行分别设计控制器时，其较为一般的做法是将位置控制环节系绳张力产生力矩作为干扰力矩进行处理。做法简单但并没有充分考虑其影响，即所设计姿态控制器能否及时抑制系绳所产生姿态干扰。系绳所产生的姿态干扰是否会导致位置控制失稳，这些都欠缺考虑，可以预见的是，当姿态控制器的收敛速度慢于位置控制器的收敛速度时，位姿容易发生震荡。因而设计绳系机器人位姿一体化控制器很有必要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种可以广泛应用于绳系机器人逼近目标位姿一体化控制方法，该方法可实现在绳系机器人对目标逼近过程中充分利用系绳对其位姿进行一体化控制。本专利技术采用如下技术方案来实现的：一种绳系机器人逼近目标位姿一体化控制方法，包括以下步骤：1)绳系机器人位姿动力学模型建立；2)干扰观测器设计；3)控制器设计；4)控制力/力矩分配。本专利技术进一步的改进在于，步骤1)的具体实现方法如下：采用的坐标系定义如下：为操作手爪本体坐标系，OIXIYIZI为惯性坐标系；手爪的绝对姿态角用321旋转欧拉角表示为Ot1xt1yt1zt1为系绳的系绳坐标系，惯性坐标系绕z轴旋转α1度再绕y轴旋转-β1与该坐标系重合；则，系绳坐标系到惯性坐标系的旋转矩阵为：假设操作平台质量远大于操作手爪，忽略逼近过程中操作手爪对操作平台的影响，且操作平台自身保持位姿稳定故可视为质点；系绳连接点在操作手爪本体系的位置为：dgb＝[dx；dy；dz]；操作平台到操作手爪质心的位置矢量为为系绳矢量和系绳连接点到操作手爪质心位置矢量之和；即：其中，在系绳坐标系下的表示为操作平台受到系绳张力为受自身执行器控制力为受环境中干扰力为操作手爪质心受到系绳张力矢量受到自身执行器控制力受环境中干扰力为则该部分动力学方程为：其中Δgpg为平台和手爪重力加速度偏差项；在系绳的系绳坐标系下的投影为：式在系绳坐标系下的投影为：则在系绳坐标系下的投影为：其中：vFcg、vT1、vΓg、vFcp和vΓp分别为和在系绳坐标系下的表示；且：姿态动力学模型操作手爪角动量为：H＝Iω对两边进行求导：即：式中：I为操作手爪的惯性张量；ω为操作手爪角速度，τc为控制力矩，Td为系绳张力产生的力矩，τh为环境干扰力矩；将其投影到操作手爪惯性坐标系可得：其中ωbI为操作手爪绝对姿态角速度，为操作手爪绝对姿态角加速度，Cbv为系绳坐标系到手爪本体系的旋转矩阵；式(1)和式(2)共同构成了绳系机器人动力学模型，看出：由于ωbv和τd的存在，使得绳系机器人系统动力学方程是一个姿轨耦合系统；令则绳系机器人动力学方程整理为矩阵形式为：其中，M为绳系机器人惯量矩阵；G与轨道角速度ω有关，为地球重力作用项；Q为控制力向量，其中l1、α1和β1对应的控制力通过绳系机器人自身推力器实现；τ为外界干扰输入向量；考虑到绳系机器人系统的未建模部分以及所在中的环境干扰力及力矩的存在将绳系机器人动力学方程写为如下形式：其中，M0，N0和G0是名义系统参数，ΔM，ΔN和ΔG是系统的不确定参数，ξ为绳系机器人的状态变量，Q是标准化控制输入，τ为外界干扰输入向量，名义系统参数和实际系统参数有如下关系：其中，M，N和Gs是绳系机器人系统实际参数；则：其中，是系统未建模部分；假设以及τ有界；将系统动力学方程整理为如下形式：其中：G＝M-1。本专利技术进一步的改进在于，步骤2)的具体实现方法如下：定义绳系机器人跟踪误差如下：e＝ξd-ξ其中，ξd为系统期望状态；定义如下辅助变量：其中，Λ为正定矩阵；设计如下观测器辅助系统：其中，k＝diag(k1,k2,k3,k4,k5,k6)，n＝diag(n1,n2,n3,n4,n5,n6)，d为未知有界干扰，且C＝[c1,c2,c3,c4,c5,c6]T为其上界；进而设计如下干扰观测器：观测器参数选择如下：其中，i＝1,2,3,4,5,6。本专利技术进一步的改进在于，步骤3)的具体实现方法如下：利用步骤2)中观测器结果设计控制器如下：其中，Q＝[Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,Q6]T为控制器输出；控制参数选择：为保证控制器输出有界，参数λ和ρ选择中满足如下关系：λ+ρ≤χ-C-Fm其中χ为执行器能力上界，Fm为F上界且满足|F|≤Fm。本专利技术进一步的改进在于，步骤4)的具体实现方法如下：控制力部分：当Q1≤0时；系绳张力为T1＝-mgQ1；操作手爪推力器等执行器提供推力为：Fgc＝Abv[0,mgQ2,mgQ3]T其中，mg为手爪的质量，Abv为系绳坐标系到操作手爪本体系的旋转矩阵；当Q1＞0时；系绳张力为T1＝0；机器人操作手爪推力器等执行器提供推力为：Fgc＝Abv[mgQ1,mgQ2,mgQ3]T其中，mg为操作手爪的质量，Abv为系绳坐标系到操作手爪本体系的旋转矩阵；控制力矩部分：操作手爪的执行器提供控制力矩为：τgc＝[Q4,Q5,Q6]T。本专利技术具有如下有益的技术效果：本专利技术通过建立绳系机器人位姿动力学模型，设计了一种干扰观测器对未建模偏差以及环境干扰进行估计，并设计了目标位姿跟踪一体化控制方法。此外，本专利技术充分考虑了绳系机器人的姿轨耦合特性，进而实现现在绳系机器人对目标逼近过程中充分利用系绳对其位姿进行一体化控制。附图说明图1为本专利技术绳系机器人逼近目标示意图。图中：1-操作平台；2-系绳；3-操作手爪；4-目标。图2为本专利技术控制框图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步详细描述：参见图1和图2，图1为本专利技术绳系机器人逼近目标示意图，其中，1为操作平台，2为系绳，3为操作手爪，4为目标，本专利技术提供的一种绳系机器人逼近目标位姿一体化控制方法，包括以下步骤：1.绳系机器人姿轨一体化模型建立：采用的坐标系定义如下：为操作手爪本体坐标系，OIXIYIZI为惯性坐标系；手爪的绝对姿态角用321旋转欧拉角表示为Ot1xt1yt1zt1为系绳的系绳坐标系，在本专利技术中系绳简化为一段无质量，惯性坐标系绕z轴旋转α1度再绕y轴旋转-β1与该坐标系重合。系绳坐标系到惯性坐标系的旋转矩阵为：假设操作平台质量远大于操作手爪，忽略逼近过程中操作手爪对操作平台的影响，且操作平台自身保持位姿稳定故可视为质点。系绳连接点操作手爪本体系的位置为：dgb＝[dx,dy,dz]T。操作平台到操作手爪质心的位置矢量为：为系绳矢量和系绳连接点到操作手爪质心位置矢量之和。即：其中，在系绳坐标系下的表示为l1＝本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种绳系机器人逼近目标位姿一体化控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)绳系机器人位姿动力学模型建立；2)干扰观测器设计；3)控制器设计；4)控制力/力矩分配。

【技术特征摘要】
1.一种绳系机器人逼近目标位姿一体化控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)绳系机器人位姿动力学模型建立；2)干扰观测器设计；3)控制器设计；4)控制力/力矩分配。2.根据权利要求1所述的一种绳系机器人逼近目标位姿一体化控制方法，其特征在于，步骤1)的具体实现方法如下：采用的坐标系定义如下：为操作手爪本体坐标系，OIXIYIZI为惯性坐标系；手爪的绝对姿态角用321旋转欧拉角表示为Ot1xt1yt1zt1为系绳的系绳坐标系，惯性坐标系绕z轴旋转α1度再绕y轴旋转-β1与该坐标系重合；则，系绳坐标系到惯性坐标系的旋转矩阵为：假设操作平台质量远大于操作手爪，忽略逼近过程中操作手爪对操作平台的影响，且操作平台自身保持位姿稳定故可视为质点；系绳连接点在操作手爪本体系的位置为：dgb＝[dx；dy；dz]；操作平台到操作手爪质心的位置矢量为：为系绳矢量和系绳连接点到操作手爪质心位置矢量之和；即：其中，在系绳坐标系下的表示为操作平台受到系绳张力为受自身执行器控制力为受环境中干扰力为操作手爪质心受到系绳张力矢量受到自身执行器控制力受环境中干扰力为则该部分动力学方程为：其中Δgpg为平台和手爪重力加速度偏差项；在系绳的系绳坐标系下的投影为：式在系绳坐标系下的投影为：则在系绳坐标系下的投影为：其中：vFcg、vT1、vΓg、vFcp和vΓp分别为和在系绳坐标系下的表示；且：姿态动力学模型操作手爪角动量为：H＝Iω对两边进行求导：即：式中：I为操作手爪的惯性张量；ω为操作手爪角速度，τc为控制力矩，Td为系绳张力产生的力矩，τh为环境干扰力矩；将其投影到操作手爪惯性坐标系可得：其中ωbI为操作手爪绝对姿态角速度，为操作手爪绝对姿态角加速度，Cbv为系绳坐标系到手爪本体系的旋转矩阵；式(1)和式(2)共同构成了绳系机器人动力学模型，看出：由于ωbv和τd的存在，使得绳系机器人系统动力学方程是一个姿轨耦合系统；令则绳系机器人动力学方程整理为矩阵形式为：其中，M为绳系机器人惯量矩阵；G与轨道角速度ω有关，为地球重力作用项；Q为控制力向量，其中l1、α1和β1对应的控制力通过绳系机器人自身推力器实现；τ为外界干扰输入向量；考虑到绳系...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄攀峰，胡永新，孟中杰，刘正雄，张夷斋，董刚奇，张帆，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61