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存在关节死区的空间机器人无扰快速终端滑模控制

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力学学报 2022年第3期54卷 777-785页

作者：张智豪于潇雁福州大学机械工程及自动化学院福州350116 福州大学流体动力与电液智能控制福建省高校重点实验室福州350116

针对机械臂一般操作过程中运动学的非完整特性进行运动规划时没有考虑机械臂与待抓取目标之间的关系与关节的实际特性,研究了存在关节死区的漂浮基平面三连杆空间机械臂拦截目标前最后阶段的载体无扰动空间规划与控制.首先根据拉格朗日... 详细信息

针对机械臂一般操作过程中运动学的非完整特性进行运动规划时没有考虑机械臂与待抓取目标之间的关系与关节的实际特性,研究了存在关节死区的漂浮基平面三连杆空间机械臂拦截目标前最后阶段的载体无扰动空间规划与控制.首先根据拉格朗日第二类方程,建立存在关节死区的载体位姿均不受控的漂浮基平面三连杆空间机械臂的动力学模型,推导出三连杆空间机械臂反作用零空间的数学模型,并对反作用零空间进行向量范数约束算法研究;进而提出了一种具有抗干扰性与高收敛性的非奇异快速终端滑模控制算法实现系统的姿态无扰控制,该方法采用变系数双幂次趋近率与非奇异快速终端滑模面相结合的方式,提高系统状态收敛速度与抗干扰性.为了消除机械臂关节存在的死区特性,设计了自适应死区补偿器,通过自适应控制来逼近死区特性的上界,以消除关节死区对系统带来的影响,确保跟踪控制的有效执行.最后基于Lyapunov函数法证明了系统的稳定性,并通过系统数值仿真结果验证了存在死区情况下机械臂的各关节角跟踪上无反应空间下的期望轨迹的同时载体的姿态处于稳定状态,验证了所提方法的有效性.

关键词：空间机器人反作用零空间关节死区预抓取阶段运动规划快速终端滑模控制

具有执行器故障的四旋翼无人机有限时间容错控制

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控制理论与应用 2023年第7期40卷 1270-1276页

作者：张思洁吴怀宇郑秀娟武汉科技大学机器人与智能系统研究院湖北武汉430081 冶金自动化与检测技术教育部工程研究中心湖北武汉430081

本文主要研究了四旋翼无人机在外部干扰、执行器存在部分失效和偏置故障并发情况下有限时间轨迹跟踪的控制问题.通过分析四旋翼无人机动力学特性,本文构建了带有外部干扰、执行器机构故障的动力学模型.首先,基于鲁棒全局快速终端滑模控... 详细信息

本文主要研究了四旋翼无人机在外部干扰、执行器存在部分失效和偏置故障并发情况下有限时间轨迹跟踪的控制问题.通过分析四旋翼无人机动力学特性,本文构建了带有外部干扰、执行器机构故障的动力学模型.首先,基于鲁棒全局快速终端滑模控制算法,设计了一种有限时间容错控制器,提高了系统对故障的响应速度.其次,针对常值/时变故障和干扰,在控制器设计中采用改进的连续函数进行补偿,减少了由切换函数引起的系统抖振问题,并基于Lyapunov函数对控制器的稳定性进行了分析.最后,通过仿真实验验证了所设计控制器的有效性和可靠性,同时,在存在执行器故障和外部干扰的情况下,无人机能够实现较好的轨迹跟踪性能.

关键词：容错控制快速终端滑模控制无人机执行器故障

基于有限时间收敛的双臂空间机器人捕获卫星主动对接力/位姿阻抗控制

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力学学报 2022年第10期54卷 2861-2873,I0005页

作者：朱安陈力福州大学机械工程及自动化学院福州350108

针对双臂空间机器人捕获卫星主动对接力/位姿阻抗控制进行了研究.为防止捕获过程中机械臂末端执行器与卫星接触、碰撞时产生的冲击载荷对机器人关节造成冲击破坏,在各关节电机与机械臂之间加入了一种弹簧阻尼缓冲机构.该机构可通过弹簧... 详细信息

针对双臂空间机器人捕获卫星主动对接力/位姿阻抗控制进行了研究.为防止捕获过程中机械臂末端执行器与卫星接触、碰撞时产生的冲击载荷对机器人关节造成冲击破坏,在各关节电机与机械臂之间加入了一种弹簧阻尼缓冲机构.该机构可通过弹簧实现冲击力矩的卸载,阻尼器则用于因弹簧引起的柔性振动的抑制.为解决捕获过程中的非完整动力学约束及捕获后混合体系统的协调控制问题,结合牛顿第三定律、捕获点的速度约束及闭链几何约束,获得捕获后混合体系统的动力学方程,且通过动量守恒关系计算碰撞冲击效应与碰撞冲击力.通过分析对接装置在载体坐标系下的运动学关系,建立对接装置相对载体的运动雅可比矩阵,并基于此建立基于力的二阶线性阻抗模型,实现对接装置输出力的精确控制.考虑到主动对接操作过程要求控制器具有收敛速度快,控制精度高的特点,通过结合终端滑模与超扭滑模的特点,提出一种非奇异快速终端滑模阻抗控制策略.该策略即能实现主动对接操作中位姿与输出力的快速响应,又能有效地抑制滑模的抖振以保证控制精度.通过Lyapunov定理证明系统的稳定性;利用数值模拟验证缓冲装置的抗冲击性能及所提阻抗控制策略的有效性.

关键词：双臂空间机器人主动对接弹簧阻尼缓冲机构阻抗控制快速终端滑模控制

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航空机电作动器神经网络快速终端滑模控制

航空学报 2021年第6期42卷 105-114页

作者：魏科鹏胡健姚建勇邢浩晨乐贵高南京理工大学机械工程学院南京210094

目前机电作动器由于具有干净、维护方便等优点,越来越受到航空业的青睐。航空机电作动器的特点是控制精度、稳定性和响应速度要求高,针对以上特点,提出了一种基于多层神经网络的快速终端滑模控制策略。为了提高航空作动器响应速度和跟... 详细信息

目前机电作动器由于具有干净、维护方便等优点,越来越受到航空业的青睐。航空机电作动器的特点是控制精度、稳定性和响应速度要求高,针对以上特点,提出了一种基于多层神经网络的快速终端滑模控制策略。为了提高航空作动器响应速度和跟踪精度,设计了快速终端滑模控制策略,不仅可以加快系统响应而且可以在无扰动情况下实现系统的有限时间稳定。针对系统参数不确定性和外部扰动,设计多层神经网络进行估计并通过前馈方法加以补偿。针对神经网络的重构误差,设计了非线性鲁棒项加以克服。利用李亚普洛夫稳定性定理证明了控制系统在有扰动情况下可以实现有界稳定。实验结果表明:所设计的控制器具有良好的参数自适应和抗干扰能力,同时具有更高的跟踪精度和更快的响应速度。

关键词：航空机电作动器快速终端滑模控制神经网络非线性控制模型不确定性

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基于快速终端滑模的汽车底盘集成控制

湖南大学学报（自然科学版） 2021年第2期48卷 1-9页

作者：张家旭施正堂杨雄赵健吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室吉林长春130011 中国第一汽车集团有限公司智能网联研发院吉林长春130011 浙江亚太机电股份有限公司浙江杭州311200

针对汽车主动前轮转向子系统和直接横摆力矩控制子系统的集成控制问题,基于快速终端滑模控制理论设计一种标定参数少和动态响应速度快的鲁棒集成控制器.首先,基于达朗贝尔原理建立包含车身侧向和横摆运动自由度的汽车动力学模型作为底... 详细信息

针对汽车主动前轮转向子系统和直接横摆力矩控制子系统的集成控制问题,基于快速终端滑模控制理论设计一种标定参数少和动态响应速度快的鲁棒集成控制器.首先,基于达朗贝尔原理建立包含车身侧向和横摆运动自由度的汽车动力学模型作为底盘集成控制模型.随后,基于快速终端滑模控制理论分别设计主动前轮转向控制律和直接横摆力矩控制律,并且通过汽车质心侧偏角相平面定义的平滑切换因子建立二者的切换规则,实现主动前轮转向子系统和直接横摆力矩控制子系统的平滑切换控制,并且将主动前轮转向子系统和直接横摆力矩控制子系统的主要工作区域分别控制在轮胎的线性区域和非线性区域.最后,结合车辆动力学仿真软件对所提出的鲁棒集成控制器的可行性和有效性进行验证,结果表明:所提出的底盘集成控制器可以同时兼顾汽车操纵稳定性和乘坐舒适性.

关键词：车辆工程底盘集成控制主动前轮转向直接横摆力矩控制快速终端滑模控制平滑切换控制

基于干扰观测器的直播机路径跟踪快速终端滑模控制

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农业机械学报 2021年第12期52卷 24-31页

作者：武涛李彦明林洪振贡亮刘成良上海交通大学机械与动力工程学院上海200240 机械系统与振动国家重点实验室上海200240

针对农田中存在不确定性干扰时,会导致建立的无人水稻直播机运动学模型精确度不高,从而使路径跟踪收敛时间长,跟踪效果较差等问题,提出由直播机运动学模型建立相应的非线性干扰观测器从而实现对不确定性复合干扰的精确观测。将观测到的... 详细信息

针对农田中存在不确定性干扰时,会导致建立的无人水稻直播机运动学模型精确度不高,从而使路径跟踪收敛时间长,跟踪效果较差等问题,提出由直播机运动学模型建立相应的非线性干扰观测器从而实现对不确定性复合干扰的精确观测。将观测到的干扰值补偿到运动学模型中以提高模型的精度,降低滑模控制的抖振。为了控制直播机沿指定路径作业并提高路径跟踪收敛时间,设计了一种快速终端滑模控制算法。基于李雅普诺夫判据检验了算法闭环系统的稳定性。使用Matlab/Simulink建立了农机运动学仿真模型,仿真结果表明,非线性干扰观测器能精确观测出系统的不确定性干扰。与不带干扰观测器的滑模控制算法相比,本文控制算法可有效减少收敛时间,抑制干扰带来的抖振。无人直播机水田作业实验表明,采用本文所提出的算法以1.2 m/s的速度高效作业时,横向平均绝对偏差为0.0247 m,均方差为0.0311 m。并且转弯收敛速度快,无超调,路径跟踪精度满足实际作业要求。

关键词：无人水稻直播机路径跟踪干扰观测器快速终端滑模控制

基于自适应快速终端滑模的车轮滑移率跟踪控制

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浙江大学学报（工学版） 2021年第1期55卷 169-176页

作者：李静王晨张家旭吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室吉林长春130011 中国第一汽车集团有限公司智能网联研发院吉林长春130011

针对汽车对连续、快速和稳定的车轮滑移率跟踪控制的需求,提出基于自适应快速终端滑模的车轮滑移率跟踪控制策略.基于Burckhardt轮胎模型建立车轮滑移率跟踪控制模型,将模型简化过程中的不确定性考虑成复合干扰项,将轮胎侧向力对纵向力... 详细信息

针对汽车对连续、快速和稳定的车轮滑移率跟踪控制的需求,提出基于自适应快速终端滑模的车轮滑移率跟踪控制策略.基于Burckhardt轮胎模型建立车轮滑移率跟踪控制模型,将模型简化过程中的不确定性考虑成复合干扰项,将轮胎侧向力对纵向力的影响考虑成未知参数.利用双曲正切函数和终端吸引因子设计改进的跟踪微分器,平滑车轮滑移率跟踪误差和估计车轮滑移率跟踪误差的一阶导数.以车轮滑移率跟踪控制模型和改进的跟踪微分器输出为基础,基于自适应快速终端滑模控制理论,设计对复合干扰项具有强鲁棒性的车轮滑移率跟踪控制律;基于投影算子理论设计自适应律来实时补偿未知参数,利用LaSalle不变性原理证明了闭环系统的渐近稳定性.利用车辆动力学软件仿真验证提出的控制律的可行性和有效性.结果表明,提出的车轮滑移率跟踪控制策略具有精度高和鲁棒性强的优点.

关键词：汽车动力学车轮滑移率跟踪控制自适应控制快速终端滑模控制

基于快速终端滑模状态观测器的车轮滑移率跟踪控制

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湖南大学学报（自然科学版） 2020年第6期47卷 14-23页

作者：张家旭施正堂赵健吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室吉林长春130022 中国第一汽车集团有限公司智能网联研发院吉林长春130011 浙江亚太机电股份有限公司智能汽车控制系统研究院浙江杭州311200

针对自动驾驶电动汽车对车轮滑移率跟踪控制的需求,提出一种基于快速终端滑模状态观测器的全状态反馈车轮滑移率跟踪控制器.首先,以车轮制动力矩导数为控制输入,建立车轮滑移率跟踪控制模型,避免车轮滑移率跟踪控制器设计过程中引入不... 详细信息

针对自动驾驶电动汽车对车轮滑移率跟踪控制的需求,提出一种基于快速终端滑模状态观测器的全状态反馈车轮滑移率跟踪控制器.首先,以车轮制动力矩导数为控制输入,建立车轮滑移率跟踪控制模型,避免车轮滑移率跟踪控制器设计过程中引入不连续项对系统稳定性和控制性能的影响.随后,利用有限时间稳定和快速终端滑模控制理论设计具有有限时间收敛特性的快速终端滑模状态观测器,实时观测未知的系统状态信息.以此为基础,采用模块化思想独立设计快速终端滑模跟踪控制律,实现车轮滑移率的连续、快速的跟踪控制.最后,结合车辆动力学仿真软件建立模型在环测试系统,仿真验证本文提出的车轮滑移率跟踪控制器的可行性和有效性.

关键词：控制工程汽车工程快速终端滑模状态观测器车轮滑移率跟踪控制快速终端滑模控制有限时间稳定

未知时变扰动下的车轮滑移率鲁棒非线性跟踪控制

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东南大学学报（自然科学版） 2020年第6期50卷 1128-1133页

作者：张家旭周时莹周洪亮赵健朱冰吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室长春130022 中国第一汽车集团有限公司智能网联开发院长春130011 哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨150001

针对自动驾驶电动汽车对车轮滑移率跟踪控制的需求,提出一种对未知时变扰动具有强鲁棒性的车轮滑移率非线性跟踪控制策略.首先,基于Burckhardt轮胎模型建立车轮滑移率跟踪控制模型;随后,基于车轮滑移率跟踪控制模型设计非线性干扰观测器... 详细信息

针对自动驾驶电动汽车对车轮滑移率跟踪控制的需求,提出一种对未知时变扰动具有强鲁棒性的车轮滑移率非线性跟踪控制策略.首先,基于Burckhardt轮胎模型建立车轮滑移率跟踪控制模型;随后,基于车轮滑移率跟踪控制模型设计非线性干扰观测器,通过在线估计和补偿未知时变扰动来提高系统的鲁棒性,并基于有限时间和快速终端滑模理论设计车轮滑移率鲁棒非线性跟踪控制律;最后,基于车辆动力学仿真软件,验证车轮滑移率鲁棒非线性跟踪控制策略的可行性和有效性.结果表明,该策略对未知时变扰动具有较强的鲁棒性,并且能够快速、准确和稳定地跟踪任意期望的连续车轮滑移率,车轮滑移率跟踪残差控制在0.32%以内,满足自动驾驶电动汽车的需求.

关键词：车辆工程车轮滑移率跟踪控制快速终端滑模控制有限时间稳定非线性干扰观测器