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不确定环境接触力下UVMS的协调运动规划研究

不确定环境接触力下UVMS的协调运动规划研究

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作者：张汉生山东大学

学位级别：硕士

水下运载器-机械手系统(Underwater Vehicle-Manipulator System,UVMS)由水下运载器和水下机械手两个子系统组成。为使UVMS完成既定的水下作业任务,需要两个子系统之间的协调运动配合。运载器和机械手之间的协调运动具有强非线性、强耦... 详细信息

水下运载器-机械手系统(Underwater Vehicle-Manipulator System,UVMS)由水下运载器和水下机械手两个子系统组成。为使UVMS完成既定的水下作业任务,需要两个子系统之间的协调运动配合。运载器和机械手之间的协调运动具有强非线性、强耦合和高冗余度等特点,这使得本来就十分复杂的运载器和机械手的协同运动变得愈加复杂和难以控制。此外,水下操纵过程中UVMS与不确定环境间接触所产生的非线性扰动更提高了对机器人控制系统的作业精度和鲁棒性的要求。因此,开发一种具备高精度和高鲁棒性的UVMS协调运动规划方法成为本论文的重点研究内容。本论文的主要研究内容如下:推导了 UVMS的运动学和动力学模型,提出了一种任务优先级框架下的基于投影梯度法的UVMS冗余解析协调运动规划方法,充分利用了 UVMS的冗余自由度以完成第一优先级任务以外的次优先级任务,解决了 UVMS的高冗余度运动分配、运动学奇异以及多优先级任务的动态处理问题,提高了 UVMS的水下操纵作业的工作效率、协调性和灵活性。提出了一种基于自适应变阻抗控制的UVMS协调运动规划方法,在任务优先级冗余解析框架下设计了基于投影梯度法的最小化恢复力矩冗余解析方案,并引入动态自适应律,实现了全阻抗参数的在线动态耦合迭代调节。解决了固定的阻抗增益在持续变动的接触力作用下会产生系统抖振以及在外界非线性干扰下的期望轨迹跟踪精度明显降低的问题,通过持续在线更新的阻抗参数和前馈力控制来估计UVMS末端执行器与环境之间的接触不确定性,提升了在较大综合不确定的非线性环境接触力下UVMS协调运动规划方法的鲁棒性。设计了 UVMS实验平台,开展了水池操纵性实验和轨迹跟踪实验,验证了 UVMS整体协调运动规划的可行性,证明了 UVMS在所提出的协调运动规划方法下能够较为精准的完成水下的连续操纵任务。

关键词：水下运载器-机械手系统阻抗控制协调运动规划

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基于目标抓取的UVMS协调控制方法研究

基于目标抓取的UVMS协调控制方法研究

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作者：谢吉顺哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

海洋中具有富饶的石油、天然气等矿产资源,世界各国越来越关注海洋资源开发,水下运载器-机械手系统(Underwater Vehicle-Manipulator System,UVMS)作为重要的水下作业装备,现被广泛应用于海底管道的铺设和巡检、海洋科学考察、军用或民... 详细信息

海洋中具有富饶的石油、天然气等矿产资源,世界各国越来越关注海洋资源开发,水下运载器-机械手系统(Underwater Vehicle-Manipulator System,UVMS)作为重要的水下作业装备,现被广泛应用于海底管道的铺设和巡检、海洋科学考察、军用或民用水下搜救等项目当中。本文主要研究内容是针对水底目标物UVMS实施抓取时的协调控制方法研究,协调控制的实现主要有以下难点:UVMS所处水下环境复杂多变又难以预测,所以要建立系统精确的动力学模型几乎不可能;UVMS是一个运动学冗余系统,在进行运动规划求逆解时会出现无穷多解情况;水下运载器和机械手之间存在动力学耦合,又有模型不确定性和外界未知扰动,都会给运动控制带来较大干扰。本文围绕以上难点分别从建模、运动规划、轨迹跟踪控制三个方面展开相关研究,主要研究工作如下:(1)运用欧拉角法推导了水下运载器的运动学方程,运用D-H参数法得到机械手的齐次变换矩阵和雅克比矩阵,由两个子系统的运动学模型进而得到UVMS关节空间和任务空间下的运动学模型。分析了水下运载器的空间运动方程和所受合外力/力矩,得出动力学方程;利用Newton-Euler方程对水下机械手动力学建模,考虑机械手与水下运载器之间的动力学耦合特性,着重计算了机械手运动对运载器本体造成的耦合扰动。根据两者动力学模型进一步分析抓取目标物前后力的变化,得到UVMS目标抓取前、中、后的动力学模型。为准确描述UVMS动力学参数,在MATLAB/Simulink环境下的SimMechanics工具箱导入Solidworks中的UVMS机械模型,依此建立UVMS三维可视化动力学模型,并最终建立了整体仿真模型。(2)针对UVMS运动学冗余特性,利用五次函数曲线方法规划出机械手末端抓取运动轨迹,提出一种加权伪逆梯度投影法进行UVMS运动规划,在规划时设置水下运载器的姿态角约束和机械手关节极限约束。通过仿真结果看出,所提方法能够满足作业任务要求,并且可以处理所提出的关节约束。(3)对于UVMS的动力学耦合特性、模型不确定性和未知干扰等轨迹跟踪控制难题,提出一种基于指数趋近律的准滑模协同控制策略用于轨迹跟踪控制。将饱和函数替代符号函数来抑制滑模抖振,建立了 UVMS耦合动力学模型,利用协同控制方法将水下运载器和机械手看作一动力学整体以抵消耦合扰动影响。由仿真结果表明,协同控制方法对于水下运载器和机械手之间的耦合扰动具有实时补偿作用,并且该控制策略应用在UVMS执行抓取任务时具有较好的关节轨迹跟踪效果,同时可以保证机械手末端执行器能够跟踪期望的抓取轨迹并到达抓取点。(4)搭建了一个UVMS实验平台,该平台由鱼雷型水下运载器和一个四自由度机械手组成。介绍了该平台整体体系结构设计、机械结构设计和电气控制系统设计,并逐一介绍了控制系统中的子系统设计方案和调试过程。为验证前文提出的机械手运动对运载器的耦合扰动,以及体现所提控制器的耦合补偿效果,在水池进行了机械手与水下运载的动力学耦合实验。在水下运载器没有控制的情况下,机械手关节做不同轨迹的运动,通过航姿参考系统实时反馈的姿态数据,得到机械手运动对水下运载器的姿态造成的耦合影响。

关键词：水下运载器-机械手系统模型建立运动规划轨迹跟踪控制水池实验

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