一种基于干扰观测器的多机械臂系统的一致控制方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于干扰观测器的多机械臂系统的一致控制方法，对于受外部扰动的多机械臂系统，设计了一种多机械臂系统的分布式一致控制算法；首先，针对系统存在的外部扰动，设计了一种干扰动观测器，从而抑制扰动，提高了控制精度；其次，结合所设计的扰动观测器设计了分布式一致控制方法。本方法可适用于机械臂在工业装配、安全防爆、航空航天应用中的跟踪控制；本方法解决了外部扰动未知的多机械臂系统的分布式一致性控制问题，提高了系统的控制精度和稳定性，应用领域广泛。

A uniform control method for multi manipulator system based on disturbance observer

The invention relates to a uniform control method of a multi manipulator system based on an interference observer. For a multi manipulator system subject to external disturbance, a distributed uniform control algorithm of the multi manipulator system is designed. Firstly, an interference observer is designed for the external disturbance of the system, so as to suppress the disturbance and improve the control accuracy. Secondly, combined with the designed method, an interference observer is designed The distributed consistent control method is designed by using the disturbance observer. This method can be applied to the tracking control of manipulator in industrial assembly, safety explosion-proof and aerospace applications; it solves the problem of distributed consistency control of multi manipulator system with unknown external disturbance, improves the control accuracy and stability of the system, and has a wide range of applications.

【技术实现步骤摘要】
一种基于干扰观测器的多机械臂系统的一致控制方法
本专利技术涉及一种多机械臂系统的一致控制方法，特别涉及一种基于干扰观测器的多机械臂系统的一致控制方法，可应用于机械臂的跟踪控制。
技术介绍
随着人工智能和机器人技术的兴起，多机械臂的协同控制受到工业、航空航天等领域的关注。但是由于机械臂存在未知的外部扰动等问题，对机械臂的协同控制问题造成严峻的挑战，如果在研究多机械臂协同控制问题中不考虑外部干扰等问题，所设计的控制器往往会导致系性能的下降，甚至出现故障。为了对机械臂未知外部扰动进行研究，国内外的许多学者，进行了大量的研究，目前主要有反馈控制、鲁棒控制等方法，但反馈控制具有时滞、波动等问题，鲁棒控制适用于微小摄动下的不确定性。扰动观测器的基本思想是对系统中未知外部扰动进行观测或估计，然后利用观测器的估计输出，抵消未知扰动的影响，可以更好地提高系统的性能。对于那些不可预测的未知扰动，干扰观测器可以起到良好的抑制效果，从而提高系统的鲁棒性。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于干扰观测器的多机械臂系统的一致控制方法，更好地解决了具有未知外部扰动的多机械臂系统的一致控制问题，提高系统的控制精度和控制器的鲁棒性。针对外部扰动，相比于反馈控制、鲁棒控制等方法，干扰观测器有更高的控制精度和鲁棒性为了实现上述解决问题，本专利技术的技术解决方案为：一种基于扰动观测器的多机械臂系统的一致控制方法，(1)对含有未知外部扰动的n个跟随者多机械臂系统以及领航者机械臂建立动力学模型；(2)基于所述步骤(1)中的动力学模型，建立多机械臂系统的通信拓扑结构；(3)基于所述的n个跟随者多机械臂系统以及领航者机械臂的动力学模型，设计针对未知外部扰动的干扰观测器；(4)基于所述通信拓扑结构与干扰观测器，定义跟踪误差，通过建立跟踪误差动态使得跟踪误差最终是趋于零；(5)结合通信拓扑结构、跟踪误差以及干扰观测器，采用分布式一致控制方法，实现跟随者机械臂对领航者机械臂的跟踪。具体包括以下步骤：第一步，建立系统的动力学模型含有未知外部扰动的多机械臂系统的n个子系统的动力学模型建立如下：其中，qi,vi∈R2分别是第i个机械臂的位置、速度,Ti∈R2表示关节输入力矩，di1,di2∈R2是第i个机械臂的扰动力矩，与第i个机械臂的向心力，哥氏力和重力力矩相关，Ji(qi)∈R2×2为第i个机械臂的对称正定的惯性矩阵。领航者机械臂的动力学模型可以描述为：其中，q0,v0∈R2分别是机械臂领航者的位置和速度。第二步，建立多机械臂的通信拓扑多机械臂系统的通信拓扑类型如下：首先，跟随者机械臂之间的通信拓扑由无向图G＝(v,ε,A)表示，v＝{1,2,…,n}表示跟随者机械臂的集合，ε＝{(i,j),i,j∈v,i≠j}表示跟随者机械臂之间边的集合，A＝[aij]∈Rn×n为相关邻接矩阵。当且仅当跟随者机械臂i和j能够相互接收信息时，则边(i,j)是存在，即(i,j)∈ε；如果(i,j)∈ε，aij＝aji＞0，否则aij＝0。其次，领航者机械臂与n个跟随者机械臂之间的通信拓扑由表示，包含一个以领航者机械臂为根节点的有向生成树。与aij类似，如果跟随者机械臂i能够接收到领航者机械臂的信息，则ai0＞0，否则，ai0＝0。为了方便起见，我们设ai0＝bi。第三步，设计扰动观测器由于系统的外部扰动未知，设计干扰观测器如下：其中，li1,li2＞0为观测增益，zi1,zi2为辅助状态变量，分别是观测器对扰动di1,di2的估计值。定义观测误差如下：其中，分别是干扰观测器对扰动di1,di2的观测误差。第四步，定义跟踪误差第i个机械臂与领航者的跟踪误差定义如下：其中，ei1是第i个机械臂的位置与领航者机械臂以及其他跟随者的位置之间的跟踪误差，ei2是第i个机械臂的速度对领航者机械臂的速度的跟踪误差。第五步，设计分布式一致控制算法分布式一致控制算法设计如下：其中，参数ki设计如下：其中，c1,c2,∈i＞0均为参数，i2是二阶单位向量，为干扰观测器中对di1,di2的观测值。本专利技术与现有技术相比的优点在于：本专利技术的基于干扰观测器的多机械臂系统的一致控制方法是基于干扰观测器得到的控制器，其特点是针对系统存在的外部扰动，设计一种干扰动观测器来抑制扰动，结合扰动观测器设计控制器解决了系统的分布式一致性控制问题。干扰观测器可应用于机械臂的扰动补偿、独立关节控制等方面，简化了系统的结构，降低了成本，提高了系统的可靠性。附图说明图1为本专利技术的基于干扰观测器的多机械臂系统的一致控制方法流程图；图2为本专利技术在具体实施中的一种通信拓扑类型。具体实施方式如图1所示，本专利技术的基于干扰观测器的多机械臂系统的一致控制方法，具体步骤如下：1.建立系统的动力学模型具有未知外部扰动的多机械臂系统的n个子系统的动力学模型建立如下：其中，qi,vi∈R2分别是第i个机械臂的位置、速度,Ti∈R2表示关节输入力矩，di1,di2∈R2是第i个机械臂的扰动力矩，与第i个机械臂的向心力，哥氏力和重力力矩相关，Ji(qi)∈R2×2为第i个机械臂的对称正定的惯性矩阵。领航者机械臂的动力学模型可以描述为：其中，q0,v0∈R2分别是机械臂领航者的位置和速度。2.建立多机械臂的通信拓扑多机械臂系统的通信拓扑类型如下：首先，跟随者机械臂之间的通信拓扑由无向图G＝(v,ε,A)表示，v＝{1,2,…,n}表示跟随者机械臂的集合，ε＝{(i,j),i,j∈v,i≠j}表示跟随者机械臂之间边的集合，A＝[aij]∈Rn×n为相关邻接矩阵。当且仅当跟随者机械臂i和j能够相互接收信息时，则边(i,j)是存在，即(i,j)∈ε；如果(i,j)∈ε，aij＝aji＞0，否则aij＝0。其次，领航者机械臂与n个跟随者机械臂之间的通信拓扑由表示，包含一个以领航者机械臂为根节点的有向生成树。与aij类似，如果跟随者机械臂i能够接收到领航者机械臂的信息，则ai0＞0，否则，ai0＝0。为了方便起见，设ai0＝bi，且B＝diag{b1,b2,…,bn}。定义拉普拉斯矩阵L＝[lij]∈Rn×n，其中并且当i≠j时，kij＝-aij。如图2所示，n＝4时，即4个跟随者机械臂与一个领航者机械臂所构成的多机械臂系统。其中，跟随者机械臂1可以接收到领航者机械臂0的信息，则b1＞0；跟随者机械臂1和2，2和4，以及3和4可以相互接收信息，则a12＝a21＞0，a24＝a42＞0，a34＝a43＞03.设计扰动观测器由于系统的外部扰动未知，设计干扰观测器如本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于干扰观测器的多机械臂系统的一致控制方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)对含有未知外部扰动的n个跟随者多机械臂系统以及领航者机械臂建立动力学模型；/n(2)基于所述步骤(1)中的动力学模型，建立多机械臂系统的通信拓扑结构；/n(3)基于所述的n个跟随者多机械臂系统以及领航者机械臂的动力学模型，设计针对未知外部扰动的干扰观测器；/n(4)基于所述通信拓扑结构与干扰观测器，定义跟踪误差，通过建立跟踪误差动态使得跟踪误差最终是趋于零；/n(5)结合通信拓扑结构、跟踪误差以及干扰观测器，采用分布式一致控制方法，实现跟随者机械臂对领航者机械臂的跟踪。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于干扰观测器的多机械臂系统的一致控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对含有未知外部扰动的n个跟随者多机械臂系统以及领航者机械臂建立动力学模型；
(2)基于所述步骤(1)中的动力学模型，建立多机械臂系统的通信拓扑结构；
(3)基于所述的n个跟随者多机械臂系统以及领航者机械臂的动力学模型，设计针对未知外部扰动的干扰观测器；
(4)基于所述通信拓扑结构与干扰观测器，定义跟踪误差，通过建立跟踪误差动态使得跟踪误差最终是趋于零；
(5)结合通信拓扑结构、跟踪误差以及干扰观测器，采用分布式一致控制方法，实现跟随者机械臂对领航者机械臂的跟踪。


2.根据权利要求1所述的基于干扰观测器的多机械臂系统的一致控制方法，其特征在于：所述步骤(1)中，建立的动力学模型如下：



其中，qi,vi∈R2分别是第i个跟随者机械臂的位置和速度,Ti∈R2表示关节输入力矩，di1,di2∈R2是第i个跟随者机械臂的扰动力矩且满足与第i个跟随者机械臂的向心力，哥氏力和重力力矩相关，Ji(qi)∈R2×2为第i个跟随者机械臂的对称正定的惯性矩阵，R2表示实数域上的二维向量，R2×2表示实数域上的二阶矩阵；
领航者机械臂的动力学模型描述为：






其中，q0,v0∈R2分别是领航者机械臂的位置和速度。


3.根据权利要求1所述的基于干扰观测器的多机械臂系统的一致控制方法，其特征在于：所述步骤(2)中，建立多机械臂系统的通信拓扑,
其中，跟随者机械臂之间的通信拓扑由一个无向图G＝(v,ε,A)表示，v＝{1,2,…,n}表示跟随者机械臂的集合，ε＝{(i,j),i,j∈v,i≠j}表示跟随者机械臂之间边的集合，A＝[aij]∈Rn×n为相关邻接矩阵，aij为相关邻接矩阵A中的元素，Rn×n为n阶实矩阵；当且仅当跟随者机械臂i和j能够相互接收信息时，则第i个跟随者机械臂与第j个跟随者机械之间的边(i,j)存在，即第i个跟随者机械...

【专利技术属性】
技术研发人员：任长娥，付全新，李桂露，袁超，
申请(专利权)人：首都师范大学，
类型：发明
国别省市：北京;11