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结合迭代学习方法和倒转方法的垂直多欠驱动关节机械臂摇起控制策略

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机械科学与技术 2024年

作者：王亚午陈思雨吴俊东张盼中国地质大学(武汉)自动化学院复杂系统先进控制与智能自动化湖北省重点实验室地球探测智能化技术教育部工程研究中心

针对仅第一关节为主动关节的垂直三连杆欠驱动机械臂，提出一种基于迭代学习方法和倒转方法的摇起控制策略，实现欠驱动机械臂由垂直向下位置摇起至垂直向上位置附近，同时各连杆角速度接近于0的摇起控制目标。首先，利用倒转方法为欠... 详细信息

针对仅第一关节为主动关节的垂直三连杆欠驱动机械臂，提出一种基于迭代学习方法和倒转方法的摇起控制策略，实现欠驱动机械臂由垂直向下位置摇起至垂直向上位置附近，同时各连杆角速度接近于0的摇起控制目标。首先，利用倒转方法为欠驱动机械臂规划一条由垂直向下位置至垂直向上位置附近的上摆轨迹。然后，基于迭代学习方法设计控制器，使各连杆跟踪规划的轨迹到达欠驱动机械臂垂直向上位置附近。最后，基于欠驱动机械臂在垂直向上位置附近的近似线性模型，利用线性二次型调节控制器（LQR， linear quadratic regulator）将其稳定在垂直向上位置。通过仿真验证了所提控制策略的有效性。

关键词：垂直多欠驱动关节机械臂迭代学习方法倒转方法

基于神经网络ODE和非线性MPC的DEA建模与控制

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自动化学报 2024年

作者：黄鹏王亚午吴俊东苏春翌福岛E.文彦中国地质大学(武汉)自动化学院复杂系统先进控制与智能自动化湖北省重点实验室地球探测智能化技术教育部工程研究中心东京工科大学工学部康考迪亚大学Gina Cody工程与计算机科学学院

针对介电弹性体驱动器(Dielectric elastomer actuator, DEA)建模与控制的挑战性问题,提出基于神经网络常微分方程(Ordinary differential equation, ODE)和非线性模型预测控制(Model predictive control, MPC)的DEA动力学建模与跟踪控制方法.首先,基于神经网络ODE建立DEA的动力学模型以描述其复杂的动态行为.然后,基于所建立的DEA动力学模型,设计非线性模型预测控制器实现其跟踪控制目标.最后,在所搭建的实验平台上进行一系列跟踪控制实验.在所有实验结果中, DEA的运动均能很好地跟踪目标轨迹,且相对均方根误差均不超过3.30%,说明了所提动力学建模与跟踪控制方法的有效性.

关键词：介电弹性体驱动器神经网络常微分方程动力学建模非线性模型预测控制

基于改进三元模型的波纹管型气动软体驱动器神经网络滑模控制

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中国机械工程 2024年第8期35卷 1414-1425页

作者：吕播阳孟庆鑫肖怀赖旭芝王亚午吴敏中国地质大学(武汉)自动化学院武汉430074 复杂系统先进控制与智能自动化湖北省重点实验室武汉430074 地球探测智能化技术教育部工程研究中心武汉430074

针对一款波纹管型气动软体驱动器,提出了一种基于改进三元模型的滑模控制方法,并使用RBF神经网络补偿扰动以实现该型驱动器在竖直方向上对期望轨迹的跟踪控制。首先搭建波纹管型气动软体驱动器实验平台,测试并分析该驱动器的动态特性,... 详细信息

针对一款波纹管型气动软体驱动器,提出了一种基于改进三元模型的滑模控制方法,并使用RBF神经网络补偿扰动以实现该型驱动器在竖直方向上对期望轨迹的跟踪控制。首先搭建波纹管型气动软体驱动器实验平台,测试并分析该驱动器的动态特性,基于上述动态特性提出波纹管型气动软体驱动器的改进三元模型;然后利用采集到的实验数据,基于最小二乘算法对其进行参数辨识,从而获得所提模型的参数;进而结合改进三元模型设计滑模控制器,使用RBF神经网络对集总扰动进行补偿,并利用Lyapunov方法分析系统的稳定性;最后通过一系列实验验证了所提方法的有效性。

关键词：波纹管气动软体驱动器三元模型滑模控制径向基函数神经网络

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基于可变设计参数的平面Acrobot位置快速控制方法

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电机与控制学报 2017年第9期21卷 110-118页

作者：王亚午赖旭芝吴敏中国地质大学(武汉)自动化学院湖北武汉430074 复杂系统先进控制与智能自动化湖北省重点实验室湖北武汉430074

为平面Acrobot系统(无重力项)提出一种基于可变设计参数的快速位置控制方法。首先,根据平面Acrobot系统的完全可积特性,获取驱动关节与欠驱动关节的角速度和角度约束关系。其次,根据系统的物理结构,推导出末端点坐标位置和两关节角度之... 详细信息

为平面Acrobot系统(无重力项)提出一种基于可变设计参数的快速位置控制方法。首先,根据平面Acrobot系统的完全可积特性,获取驱动关节与欠驱动关节的角速度和角度约束关系。其次,根据系统的物理结构,推导出末端点坐标位置和两关节角度之间另一类约束关系。然后,基于这两类约束关系,利用粒子群优化算法求取目标位置对应的两杆目标角度。接着,通过构造李雅普诺夫函数为平面Acrobot系统设计控制器,并根据控制器中设计参数的特性,选择一个可变的设计参数,减少控制系统到达目标的时间。利用连杆角速度和角度约束关系,通过控制驱动杆到目标角度同时连带控制欠驱动杆到目标角度,实现系统的控制目标。最后,仿真结果验证所设计控制方法的有效性和快速性。

关键词：平面欠驱动机械系统平面Acrobot 位置控制粒子群优化算法非线性函数

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电磁超声换能器多场耦合分析及实验研究

电磁超声换能器多场耦合分析及实验研究

作者：王亚午湖北工业大学

学位级别：硕士

电磁超声技术是当前无损检测技术领域的研究热点和发展前沿。然而,由于电-磁-力-声多场耦合的复杂性、材料磁致伸缩效应的非线性以及有限元分析工具及计算方法的局限性,使得电磁超声传感器的换能机理研究和结构优化一直缺乏有效的方法... 详细信息

电磁超声技术是当前无损检测技术领域的研究热点和发展前沿。然而,由于电-磁-力-声多场耦合的复杂性、材料磁致伸缩效应的非线性以及有限元分析工具及计算方法的局限性,使得电磁超声传感器的换能机理研究和结构优化一直缺乏有效的方法。为此,本学位论文基于磁致伸缩材料本构方程,研究了电磁超声换能器多场耦合数值计算方法,仿真并实验分析了电磁超声传感器换能效率的影响因素及其相互作用规律。首先,分析了电磁超声检测中存在的多场耦合机制,介绍了电磁超声换能器建模过程中的基本物理方程及力-磁耦合过程,推导了不同换能器结构下的材料逆压磁矩阵,探讨了电、磁、力、声多物理场耦合的有限元计算方法。其次,基于钢板电磁超声检测传感器的结构模型,仿真研究了电磁超声的激励、传播和接收过程,并进行了实验对比验证。在此基础上,分析了电磁超声换能器中偏置永磁体几何尺寸对钢板中磁致伸缩振幅、磁吸附力大小的影响规律。再次,分析了电磁超声换能器中高频线圈激励电流的幅值、频率和脉冲个数以及线圈缠绕方式对钢板中磁致伸缩振动的影响关系。为进一步提高换能效率,优化并设计了激励电源箱与高频激励线圈、滤波放大器与接收线圈间的阻抗匹配电路,并进行了实验分析。最后,针对管道应力腐蚀裂纹等轴向缺陷检测的实际需要,建立了管道磁致伸缩T模态导波检测传感器模型,研究了管道中静态偏置磁场、动态交变磁场和磁致伸缩振动的分布规律和主要特征,分析了外加应力对磁致伸缩换能效率、导波传播特性的影响关系。

关键词：电磁超声换能器多场耦合偏置磁场高频线圈外加应力

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二阶非完整平面3R欠驱动机械臂位置控制

东南大学学报（自然科学版） 2019年第2期49卷 245-250页

作者：黄自鑫赖旭芝王亚午吴敏中国地质大学( 武汉) 自动化学院武汉430074 复杂系统先进控制与智能自动化湖北省重点实验室武汉430074

为解决中间关节是欠驱动的平面3R机械臂末端点位置控制问题,提出了一种基于轨迹规划与跟踪控制方法.根据系统数学模型、几何关系和期望位置,利用差分进化算法求解所有连杆的目标角度.首先,构造Lyapunov函数设计控制器使得第一、第三连... 详细信息

为解决中间关节是欠驱动的平面3R机械臂末端点位置控制问题,提出了一种基于轨迹规划与跟踪控制方法.根据系统数学模型、几何关系和期望位置,利用差分进化算法求解所有连杆的目标角度.首先,构造Lyapunov函数设计控制器使得第一、第三连杆到达目标角度;然后,根据系统约束关系,对第一连杆进行轨迹规划,并利用差分进化算法优化轨迹参数;当第一连杆跟踪轨迹后,第二连杆被间接控制到目标角度.最后,基于Lyapunov函数设计控制器使第一连杆跟踪规划轨迹,并维持第三连杆状态不变,使系统末端点从给定初始位置到给定期望位置.仿真实验表明,在33.94 s时,系统末端点能够稳定到目标位置(0.2,0.8) m,对于不同的初始位置和期望位置,轨迹规划与跟踪控制方法同样有效.

关键词：平面3R欠驱动机械臂轨迹规划位置控制差分进化算法

基于轨迹规划的平面三连杆欠驱动机械臂位置控制

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控制与决策 2020年第2期35卷 382-388页

作者：黄自鑫赖旭芝王亚午吴敏中国地质大学(武汉)自动化学院武汉430074 复杂系统先进控制与智能自动化湖北省重点实验室武汉430074

针对中间关节为欠驱动的二阶非完整平面三连杆机械臂,提出一种基于轨迹规划的末端点位置控制策略.首先,建立系统的动力学模型,并根据几何关系利用差分进化算法求取所有连杆与目标位置相对应的目标角度;然后,根据驱动关节与欠驱动关节的... 详细信息

针对中间关节为欠驱动的二阶非完整平面三连杆机械臂,提出一种基于轨迹规划的末端点位置控制策略.首先,建立系统的动力学模型,并根据几何关系利用差分进化算法求取所有连杆与目标位置相对应的目标角度;然后,根据驱动关节与欠驱动关节的耦合关系,采用时间缩放法和双向法分别规划两根驱动连杆的两条轨迹,并利用遗传算法优化合适的第1连杆中间位置,将两条轨迹拼接成一条完整可达轨迹;最后,设计滑模变结构控制器以跟踪完整可达轨迹,实现系统从初始位置到目标位置的控制目标.数值仿真结果表明了所提出控制策略的有效性.

关键词：平面三连杆欠驱动机械臂轨迹规划位置控制差分进化算法遗传算法

基于智能优化算法的Pendubot轨迹规划与控制方法设计

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控制与决策 2020年第5期35卷 1085-1090页

作者：王乐君王亚午赖旭芝吴敏中国地质大学(武汉)自动化学院武汉430074 复杂系统先进控制与智能自动化湖北省重点实验室武汉430074

以垂直Pendubot为研究对象,提出一种基于智能优化算法的轨迹规划与控制方法,以解决Pendubot控制过程中难以从摇起区过渡至平衡区的问题.为Pendubot的驱动连杆规划一条从初始角度到中间角度的正向轨迹和一条从中间角度到目标角度的反向轨... 详细信息

以垂直Pendubot为研究对象,提出一种基于智能优化算法的轨迹规划与控制方法,以解决Pendubot控制过程中难以从摇起区过渡至平衡区的问题.为Pendubot的驱动连杆规划一条从初始角度到中间角度的正向轨迹和一条从中间角度到目标角度的反向轨迹.欠驱动连杆在系统耦合关系作用下进行运动,对应的Pendubot末端点也运动至相应位置.通过遗传算法优化轨迹参数,将正向和反向轨迹拼合为一条由初始角度到目标角度的驱动连杆轨迹的同时,对应的Pendubot末端点轨迹拼合为一条由垂直向下平衡位置到垂直向上平衡位置的完整轨迹,然后设计跟踪控制器跟踪优化后的驱动连杆轨迹至目标角度,由于耦合关系的存在,Pendubot末端点也运动至垂直向上平衡位置.由于Pendubot受重力作用,其末端点很难长时间稳定在垂直向上平衡位置,故设计镇定控制器,实现Pendubot末端点在垂直向上平衡位置的镇定控制.最后通过仿真实验验证所提出方法的有效性,并通过对比说明所提出方法在奇异点规避、控制器设计和控制效果方面的优势.

关键词： Pendubot 轨迹规划遗传算法跟踪控制器镇定控制器

基于模型降阶与链式结构的平面欠驱动机械臂位姿控制

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中国科学：信息科学 2020年第5期50卷 718-733页

作者：刘东万雄波王亚午赖旭芝吴敏中国地质大学(武汉)自动化学院武汉430074 复杂系统先进控制与智能自动化湖北省重点实验室武汉430074

针对第三关节为被动的平面四连杆(active-active-passive-active,简称AAPA)欠驱动机械臂的位姿控制问题,提出一种基于模型降阶与链式结构的控制策略.整个控制过程被划分为3个阶段.第1阶段,通过控制第四连杆的角度至零,将平面AAPA机械臂... 详细信息

针对第三关节为被动的平面四连杆(active-active-passive-active,简称AAPA)欠驱动机械臂的位姿控制问题,提出一种基于模型降阶与链式结构的控制策略.整个控制过程被划分为3个阶段.第1阶段,通过控制第四连杆的角度至零,将平面AAPA机械臂降阶为平面虚拟四连杆(active-activepassive,简称AAP)欠驱动机械臂.第2阶段,首先将平面虚拟AAP机械臂的模型转换为标准链式结构形式.然后,设计相应的控制器将平面虚拟AAP机械臂的被动关节控制至其目标位置,同时,将被动连杆的姿态角控制至中间姿态角,从而将平面AAPA机械臂进一步降阶为平面Acrobot.第3阶段,控制平面Acrobot驱动连杆的角度至其目标角度,连带实现对被动连杆的角度控制,最终实现平面AAPA机械臂的位姿控制目标.考虑到平面Acrobot存在角度约束,因此,利用遗传算法协调与优化被动关节的目标位置、被动连杆的中间姿态角、第四连杆的目标角度与被动连杆的目标姿态角,确保平面Acrobot对于系统目标位姿的目标角度解存在.最后,通过仿真验证控制策略的有效性.

关键词：平面四连杆欠驱动机械臂位姿控制模型降阶链式结构遗传算法