李珂翔[1]2014年在《水面无人平台动力学建模及姿态稳定性研究》文中认为随着世界各国越来越重视海洋资源与海洋权益,各国间领海争端有急剧上升的态势。为维护我国领海主权,保障我国海洋权益,大力发展海军装备意义重大。随着无人化成为了战争的重要发展趋势,水中无人作战系统受到广泛重视,近年来各国相继加大了研究力度。结合水面和水下无人作战系统各自的优点,提出一种多用途水面无人平台的概念,该平台特指一种尺寸较小、结构紧凑、运输组装方便的特种作战平台,可用于预定海域的警戒侦察。该无人平台的结构形式、工作环境及任务要求与通常搭载于诸如车辆、舰船等大型运动载体的常规作战平台有较大差别,需要考虑水面应用环境与小尺寸漂浮平台的特殊性及其导致的动力学耦合问题。围绕该水面无人平台所面临的系统建模和姿态控制问题开展研究,对于水中无人作战系统的发展应用具有重要意义,也可为此类浮式特种平台的开发应用奠定基础。本文以一种水面无人平台为对象,对该平台的动力学特性及其姿态控制过程中存在的技术和理论问题进行了研究。对负载、载体和环境的特殊性导致的动力学耦合问题,以及在此基础上的平台数学建模和姿态控制策略进行了重点研究。为获得由浮式单元和平台载体构成的混合多浮体结构漂浮平台的运动特性以指导结构参数设计,基于理想流体叁维势流理论和多刚体动力学,建立了漂浮平台的动力学模型。针对几种可行的结构方案,分别建立了漂浮平台整体动力学模型,分析了平台载体的运动响应。为减小流体动力对平台结构的影响,指导浮式单元阵列的排列方式,结合势流理论和GREEN函数法,求解了浮式单元阵列在不同排列方式下的水动力系数,得到了水动力作用与浮式单元阵列排列方式之间的分布规律。针对水面无人平台的结构特点,基于少自由度并联机构设计了改进的串并联稳定平台,并建立了数学模型。推导了并联稳定平台的运动学逆解方程；通过建立传动支链的速度映射关系,推导了系统的速度雅可比矩阵,基于Lagrange法建立了并联稳定平台的动力学模型。为简化动力学方程,比较分析了各部件惯性参数对平台动力学性能的影响。为了解运动副间隙对平台动力学特性的影响,基于改进的Hertz接触理论和非线性弹簧阻尼模型推导了含间隙传动支链的等效模型,建立了运动副含间隙的并联稳定平台动力学方程,结合数值计算和实验进行了分析验证。建立了考虑非完整约束特性的无人平台数学模型,为提高此类浮式平台的控制性能提供了一种途径。与现有稳定平台的模型相比,该模型考虑了负载与基座之间的耦合,对系统中的未建模动态进行了定量处理,因而更加接近实际情况。采用虚拟机构法和D-H法划分平台姿态变换矩阵并使其姿态角形式与并联稳定平台一致,基于Lagrange法建立了无人平台的整体动力学模型。针对自由漂浮非完整无人平台的流场作用,给出了恢复力矩的等效解析式和流场耦合项。鉴于该无人平台耦合作用较强、并联机构控制难度较大的问题,对水面无人平台的控制策略进行了研究,首先为完整约束无人平台设计了能普遍适用的工作空间复合鲁棒控制策略。采用了多自由度干扰观测器补偿系统耦合、参数摄动和干扰对平台的影响,并基于反步法设计了滑模控制器抑制未观测出的干扰并对目标轨迹实施跟踪。对于非完整约束无人平台,在改进复合鲁棒控制策略的基础上,采用部分反馈线性化方法变换非完整约束无人平台数学模型,设计了非完整约束无人平台的控制策略。最后通过仿真验证了上述各控制策略的鲁棒性和控制精度。根据系统要求设计和制作了原理样机的机械结构和软硬件,搭建了地面模拟实验系统；设计了地面模拟装置模拟波浪扰动,在实验室内开展了地面动态模拟实验。测试了系统的鲁棒性和控制精度,验证了本文所建模型和控制策略的正确性及有效性。
刘大亮[2]2009年在《一种球形移动机器人的运动分析与控制技术的研究》文中指出球形移动机器人具有运动灵活的优点,且在运动中不存在翻仰问题。因此在工业、民用、国防以及空间探索等领域具有广泛的应用前景。但是球形移动机器人与地面之间具有近似点接触的特点,导致运动分析与控制技术成为球形移动机器人研究的关键问题,并且一直没有得到有效地解决,阻碍了球形移动机器人的进一步研究和应用。因此,本论文深入地研究了一种球形移动机器人的运动分析与控制技术问题。主要的研究工作如下:首先,基于欧拉——拉格朗日方法建立球形移动机器人的动力学模型,利用坐标变换和输入控制变换对模型进行降阶和标准型处理,并设计双回路线性运动控制策略;提出球形移动机器人的动态平衡问题,分别建立球壳质量分布均匀和非均匀条件下的平面动力学模型,利用部分线性化方法将模型分别变换为非“叁角”正则形式的和“叁角”正则形式的级联非线性模型,并设计指数稳定的动态平衡控制策略;分别对提出的运动控制和平衡控制策略进行稳定性分析、仿真和实验研究。其次,将球形移动机器人分别简化为“球壳——重摆”模型和“球壳——框架”模型,建立两者的动力学微分方程,并通过求解微分方程的近似解研究驱动机构在两个驱动轴方向上的运动特性;从鲁棒控制的角度,将驱动机构对球壳的耦合作用假设为系统的不确定项后,建立了球形移动机器人的不确定性动力学模型;应用滑模变结构技术设计鲁棒运动控制策略,并进行控制策略的稳定性分析、仿真和实验研究。再次,利用微分几何的方法研究球形移动机器人运动学模型的可控性,利用坐标变换对模型进行标准型处理,并设计指数稳定的非线性姿态控制策略;基于球形移动机器人的运动学模型和鲁棒运动控制策略提出基于曲率的路径跟踪策略;分别对提出的姿态控制和路径跟踪控制策略进行稳定性分析、仿真和实验研究。在理论研究成果的基础上,研制球形移动机器人的嵌入式控制系统,分析系统的可能性故障,并针对故障提出球形移动机器人的冗余容错策略;研制高可靠性的冗余双备份伺服控制系统,并进行实验研究。最后,研究基于多传感器(惯性测量装置、光电编码器、激光测距仪以及视觉传感器)融合技术的球形移动机器人自主运动控制策略;分别建立里程计模型和激光测距仪模型,从不确定性信息描述的角度分析模型的误差;对提出的自主运动控制策略进行实验研究。
于涛[3]2014年在《球形机器人坡面运动的控制方法研究》文中研究表明球形机器人具有结构紧凑、运动灵活和在滚动过程中不会翻倒等优点,在国防、工业和行星探测等领域都具有十分广阔的应用前景。球形机器人在实际应用中不可避免地会遇到爬坡问题,爬坡能力已经成为衡量球形机器人运动性能的重要指标之一。另一方面,球形机器人在滚动过程中,机器人的球壳与运动平面之间具有近似点接触的特点,从而使其运动控制问题成为球形机器人研究的理论和技术难点之一。因此,本文深入地研究了一种球形机器人的坡面运动的动力学与控制问题,主要的研究内容如下：1.针对球形机器人坡面运动的两种运动形式,分别建立了球形机器人坡面运动的平面动力学模型和空间动力学模型。采用拉格朗日方法,推导了球形机器人爬坡运动的动力学方程,在此基础上分析了球形机器人爬坡运动的平衡条件并建立了系统的状态空间模型；利用受约束的拉格朗日方程,建立了球形机器人滚动球壳的空间动力学模型和球形机器人坡面运动的多体动力学模型,并在此基础上分别推导了系统的状态空间方程。2.基于建立的平面动力学模型,在坡面倾斜角度已知的条件下,研究了球形机器人爬坡运动的位置控制和速度控制问题。针对球形机器人爬坡运动的位置控制问题,分别提出了基于自适应解耦滑模控制方法和自适应分级滑模控制方法的位置控制策略；针对球形机器人爬坡运动的速度控制问题,提出了一种基于自适应分级滑模控制方法的速度控制策略；对提出的各位置和速度控制策略,分别进行了稳定性分析、仿真和实验验证。3.基于建立的平面动力学模型,在坡面倾斜角度未知的条件下,研究了球形机器人爬坡运动的位置控制问题,并分别提出了基于自适应神经网络滑模控制方法和自适应模糊滑模控制方法的位置控制策略；对提出的各位置控制策略,分别进行了稳定性分析、仿真和实验验证。4.基于滚动球壳的空间动力学模型,在坡面倾斜角度未知的条件下,研究了球形机器人坡面运动的定点控制问题,并分别提出了基于自适应反演滑模控制方法和模型参考自适应滑模控制方法的定点控制策略；对提出的各定点控制策略,分别进行了稳定性分析、仿真和实验验证。5.基于滚动球壳的空间动力学模型,研究了球形机器人坡面运动的轨迹跟踪问题,并分别提出了基于输入输出反馈线性化方法和自适应滑模控制方法的轨迹跟踪策略；对提出的各轨迹跟踪策略,分别进行了稳定性分析、仿真和实验验证。6.基于滚动球壳的空间动力学模型,研究了球形机器人坡面运动的路径跟踪问题,并分别提出了基于输入输出反馈线性化方法和自适应滑模控制方法的路径跟踪策略；对提出的各路径跟踪策略,分别进行了稳定性分析、仿真和实验验证。
尹晓红[4]2011年在《自动引导车运动分段控制技术研究》文中指出非完整约束是指一种用不可积分的微分方程来表示的约束,它的存在使得系统更难控制；另一方面,非完整约束又广泛存在于自动引导车(AGV-Automatic Guided Vehicle)、太空机器人、欠驱动的水下舰船系统等实际系统中,在军事、工业、民用、深海太空业等领域具有很强的应用背景。AGV作为一种典型的非完整系统,研究其控制问题具有重要的理论意义和良好的实用价值。本文在对相关研究现状进行分析的基础上,对叁轮AGV运动控制问题进行了深入研究,内容主要包括基于神经动力学模型的初期跟踪控制、结合能量优化策略的中段跟踪控制、镇定和跟踪统一的后期运动控制以及AGV整体运动分段控制(IMSC-Integrated Motion Sectionalized Control)等。在系统调研AGV国内外研究现状的基础上,对AGV的结构及分类以及路径跟随、轨迹跟踪、点镇定等叁种基本运动的若干关键运动控制技术进行了分析和梳理,指出了目前存在的问题及需要进一步研究的内容。引入微分几何和非线性控制理论的一些基本概念和定理,给出了非完整系统以及约束的相关知识,综合归纳出了一套用于分析非完整系统的数学工具。用该工具分析了AGV的非完整性,并以叁轮AGV为例,建立了AGV的运动学和动力学模型。根据AGV系统的硬件组成和软件设计原理,对AGV控制系统进行合理的功能分配和模块划分,提出了所研究AGV的控制体系结构。针对当AGV存在初始位姿误差或AGV的参考轨迹不连续时传统轨迹跟踪控制器会产生一个较大初始速度跳变的问题,在建立AGV跟踪误差系统模型的基础上,引入神经动力学思想,提出了一种基于生物激励神经动力学模型的AGV轨迹跟踪控制器。该控制器首先由运动学控制器产生一个理想控制律,接着利用神经动力学解决初始速度跳变问题,最后用快速终端滑模控制器进一步提高跟踪精度。仿真结果表明,该控制器能很好地解决跟踪过程中出现的初始速度跳变问题,最终实现系统全局渐进稳定。针对AGV在运动中段能耗大的问题,在深入分析系统能耗情况的基础上,建立了AGV的能耗模型及运动学模型,提出了一种基于能量优化策略的AGV轨迹跟踪控制算法。能量优化控制器是上述控制算法的核心,设定电机能量效率函数为其目标函数,电机电枢等效电路电压平衡方程式和转矩方程式组成的方程组为其系统状态方程,使AGV能准确跟踪参考轨迹的条件为其状态约束,再加上一个控制输入约束,组成优化问题的叁个约束,最后用遗传算法解优化问题得出一个最优速度控制律。仿真结果表明,该控制策略可以在使AGV顺利实现轨迹跟踪的同时达到能量优化的效果。针对AGV系统的后期轨迹跟踪和镇定问题,在深入分析预测控制机理和稳定性的基础上,认真研究了存在非完整约束和控制输入约束的AGV轨迹跟踪的非线性模型预测控制问题,设计了基于模型预测终端控制器的终端镇定控制算法,并结合AGV的运动模型,使用状态观测器对含噪声的动态系统进行状态估计,进一步增强了轨迹跟踪控制的效果。同时,考虑到AGV需有避障功能,为镇定控制器设计了一个避障控制模块。计算机仿真结果证实了所设计轨迹跟踪算法的正确性和有效性。为了实现对AGV整个运动过程的高精度和低能耗控制,本文提出了一种整体运动分段控制方法,即对AGV运动的初、中和后期叁个不同阶段的运动,根据其各自特点分别采用上述叁种控制方法,且将叁种方法有机地组合成一种方法,并通过计算和仿真确定了各种方法所使用的运动区间,从而能更好地实现AGV在整个轨迹跟踪过程中的平滑性、节能性、鲁棒性及全局稳定性。
罗亦彪[5]2012年在《平面欠驱动机器人Pendubot的位置控制策略研究》文中提出平面Pendubot是一类典型的欠驱动机械系统,它是一个在水平面上运动的两杆机器人,有两个自由度但只有一个驱动装置,其控制目标是从任意初始位置运动并稳定在给定的平衡位置。由于平面欠驱动两杆机器人具有高度复杂的非线性特性,且不满足局部小时域可控性,其控制仍然是一个开放问题。本论文针对在被动关节加入弹簧的平面Pendubot,研究其位置控制策略,通过仿真实验,对控制策略进行分析和验证。首先,利用拉格朗日方程建立平面Pendubot的动力学模型,并分析系统的运动特性以及弹簧对系统运动特性的影响。然后,基于等价输入干扰方法设计控制策略,只利用系统的角度信息实现机器人从任意初始位置到目标位置的控制；控制策略的设计过程包括两步：第一步,通过微分同胚坐标变换将系统动力学模型转换为非线性级联系统，同时将平面Pendubot的位胃控控制问题转化为新系统的平衡点镇定问题；第二步,将非线性级联系统进一步划分为线性部分和非线性部分,并将非线性部分视为外在扰动来引入等价输入干扰方法,基于分离定理分别设计反馈控制器和状态观测器,从而实现机器人的控制目标。最后,为进一步改善控制性能,提出基于系统能量和驱动杆姿态的控制策略，并基于拉萨夫最大不变集原理保证机器人的全局稳定性。该控制策略具有控制输入力矩小,结构简单，易于实现的优点。
金娟[6]2014年在《自主移动机器人轨迹跟踪与避障控制研究》文中指出作为一类典型的非完整控制系统，移动机器人的研究和开发一直是一个十分活跃的领域。本文以非完整自主移动机器人为控制对象，围绕移动机器人的轨迹跟踪问题和未知环境下轨迹跟踪过程中的避障问题展开研究。针对移动机器人的轨迹跟踪控制问题，本文结合移动机器人的运动学模型和动力学模型对控制系统进行了设计。首先利用Backstepping方法进行了运动学控制器的设计，得到位置跟踪误差下要实现对参考轨迹跟踪所需的控制速度；然后利用基于模糊CMAC的改进计算力矩法对动力学控制器进行设计，利用模糊CMAC神经网络来逼近系统的非线性和不确定性，同时与速度误差结合起来构成力矩控制器，并用滑模项来补偿不确定性扰动对系统的影响。Lyapunov稳定性分析保证了跟踪误差渐近收敛到零，MATLAB环境下的轨迹跟踪仿真实验验证了控制算法的有效性和优越性。针对未知环境下移动机器人轨迹跟踪过程中避障问题，本文在实现了移动机器人对参考轨迹跟踪的前提下，基于阻抗控制的概念，设计了双回路的控制方案。主回路执行跟踪控制，当遇到障碍物时，辅助回路会根据传感器的信息和阻抗控制的概念产生虚拟阻抗力，将参考目标位置调整到修正目标位置，并对参考速度进行补偿，使得避障控制能够嵌入到跟踪控制中，实现移动机器人在轨迹跟踪过程中的自动避障。MATLAB仿真结果表明了轨迹跟踪控制的有效性和避障方法的可行性。最后，本文基于Pioneer2DX移动机器人平台，从硬件体系和软件结构上设计实现了自主移动机器人对参考轨迹的跟踪控制和跟踪过程中的自动避障控制。实验结果进一步验证了所设计的轨迹跟踪控制方法和跟踪过程中的避障控制策略的有效性和实时性。
王家军[7]2003年在《非完整控制系统的非线性控制策略研究》文中研究指明非完整系统来源于经典机械系统, 它的本质是存在不可积分线性约束的Lagrange系统。由于非完整控制系统为本质上的非线性系统，线性控制策略对其显得无能为力，同时光滑时变状态反馈只能使系统达到渐近收敛，无法达到全局一致指数收敛的要求。非完整控制系统控制目标可以分为运行规划、镇定和跟踪控制，本文重点研究了非完整控制系统的镇定和跟踪控制两个问题。非完整控制系统作为一个综合性的控制系统广泛存在于现实世界当中，该课题在当前研究具有重要的理论和实际意义。本文完成了如下几方面的工作：对非完整控制系统进行了综述，分析了非完整系统的模型和一些基本的定义、定理，并对当前非完整控制系统存在的难点和问题进行了论述。对于叁维非完整控制系统，由于非完整双积分模型和感应电动机的模型之间存在一定的等价关系，本文把电动机中常用的矢量控制方法运用在非完整系统的控制中，实现了系统的全局镇定和跟踪控制。为了解决非完整控制系统的高维控制问题，本文把微分几何中的不变流形控制方法运用于非完整控制系统的镇定控制中，由于不变流形在处理高维控制问题有其独到的优点，因此不变流形在非完整控制系统的应用具有开拓性的意义。非完整控制系统的状态观测问题对于非完整控制设计具有重要的意义，非完整控制系统的输出反馈控制问题是一个很有挑战性的课题，文中采用基于观测器的动态输出反馈控制实现了非完整控制系统的全局k-指数渐近跟踪。针对确定非完整链式系统设计了变结构控制器，并分析了其鲁棒性能；由于变结构控制的设计要求系统的全部状态已知，文中又给出了基于观测器的滑模变结构控制设计方案，实现了非完整控制系统的全局指数镇定控制。针对不确定非完整链式系统，本文设计了鲁棒Backstepping 控制器来解决其不确定性问题，并对于一定的不确定性分析了其鲁棒性能。
向先波[8]2010年在《二阶非完整性水下机器人的路径跟踪与协调控制研究》文中研究表明21世纪是海洋的世纪,日益增长的海洋开发需求,以及自主式水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle, AUV)技术的快速发展,使得欠驱动水下机器人已成为AUV家族的重要成员和海洋探测开发的重要工具。欠驱动水下机器人属于二阶非完整性系统,且具有本质上的强非线性,其运动控制问题非常具有挑战性。因此,二阶非完整性欠驱动水下机器人的非线性运动控制研究具有重要的理论价值和实用价值,已经成为水下机器人控制领域的热点问题。本文深入分析了国内外关于二阶非完整性水下机器人运动控制方面的研究成果,并总结了所存在的问题,在此基础上完成了二阶非完整性水下机器人的路径跟踪控制,并对基于路径跟踪的机器人编队协调控制进行了研究。主要研究内容如下：首先,简要介绍了非完整性系统,比较了路径跟踪与轨迹跟踪各自的特点,选择了建立路径跟踪误差动力学的合适方案。以一阶非完整性移动机器人为研究对象,深入探讨机器人路径跟踪控制的设计方法,在Serret-Frenet移动坐标系下,提出基于虚拟参考目标点“协作式”路径跟踪的控制策略,完成具有“时空解耦”特性的控制器设计。其次,建立水下机器人运动学、动力学模型,基于一阶与二阶非完整性系统运动控制的部分相似性,借鉴一阶非完整性机器人路径跟踪的控制策略,实现二阶非完整性水下机器人的叁自由度全状态欠驱动路径跟踪控制器,并解除了普遍存在的角速度持续激励的路径跟踪限制条件。通过引入建立在Serret-Frenet移动坐标系且可随路径曲率自适应变化的视线角,将其由传统的船舶直线路径跟踪,扩展到水下机器人曲线参考路径的跟踪控制。采用“视线角导航”和“位置”分步设计,简化了路径跟踪控制律。利用Lyapunov直接法和反演设计技术,将运动学路径跟踪控制器反演至动力学。在此基础上,给出了欠驱动与全驱动水下机器人侧漂角及其加速度的计算处理方法,得到完善的AUV路径跟踪控制解决方案,从而保证了高精度的路径跟踪控制。在海流扰动情况下,基于输入-状态稳定性分析和直接抵抗海流这两种方法,完成路径跟踪控制器设计。再次,在水下声通信受到通信距离、通信带宽等限制条件下,将二阶非完整性AUV路径跟踪与刚性编队协调有机结合起来,使得基于路径跟踪的AUV编队协调控制更具可行性和实用价值。采用编队参考点与虚拟结构相结合的方法,设定编队路径并增加了编队结构的灵活性。同时,将“时空解耦”的路径跟踪策略嵌入到多AUV编队协调控制设计之中,利用单个机器人的路径跟踪控制器完成叁自由度空间位姿跟踪任务,通过对多AUV速度的整体协调控制,实现编队队形。基于主从式控制结构,设计了单源、单向通信机制下的编队协调控制律；通过引入代数图理论知识,得到多机器人复杂网络通信拓扑的数学表达,进而基于无领航者的分散式控制结构,完成AUV编队协调控制器的设计,且考虑了机器人速度饱和的限制。对于存在水下通信时延和可变通信拓扑的情况,提出了基于平均一致连接性切换网络的时延协调控制律。另外,基于水下声纳导航信息,通过引入修正的AUV视线角,利用输入-状态稳定性原理,完成水下机器人编队协调下的路径跟踪及同时避障、避碰的控制设计。最后,总结了本文的主要研究成果和创新点,并对二阶非完整性水下机器人路径跟踪及编队协调控制的进一步研究工作进行了展望。
鞠桂玲[9]2008年在《非完整系统的输出反馈控制问题的研究》文中研究指明本论文考虑了叁类非完整系统的反馈控制问题。研究的主要结果包括叁个部分:第一部分:考虑了一类非线性不确定项满足线性增长条件的非完整系统的输出反馈控制问题。所解决的问题是设计输出反馈控制器使得闭环系统的状态是全局渐近稳定的,通过运用反推技术得到这类控制器设计问题的解。同时,为了避免x-子系统在极限状态的不可控性,引入了状态-输入坐标变换方法。对于非完整系统的输出反馈控制问题,当系统不存在不确定项时,最常用的控制方法一般是在初始时刻的一个小邻域内采用一个常数控制律,到达某一时刻时再切换到依据状态-输入坐标变换方法所设计的非线性控制律。但因为本部分所考虑的非完整系统具有不确定性,再采用上述的切换方法就可能出现系统的状态在有限时间发生逃逸的现象。为避免这一现象的发生,本部分设计了一种新颖的切换控制策略。这种切换控制策略是基于x_0-子系统的状态值而不是基于时间值进行切换的,它的优点就是不会在初始时刻的某个小邻域内出现太大的控制律。最后通过仿真算例验证了所得结果的有效性。第二部分:考虑了一类具有未知的虚拟控制参数和非线性不确定项的非完整系统的输出反馈控制问题。所解决的问题是设计输出反馈控制器使得闭环系统的状态是全局渐近稳定的,通过运用反推技术得到这类控制器设计问题的解。同时,为了避免x-子系统在极限状态的不可控性以及系统的状态发生有限时间逃逸,运用了与第一部分类似的状态-输入坐标变换方法和切换控制策略。同时,在这一部分中。为了避免过参数现象的发生,运用了调节函数技术。最后通过仿真算例验证了所得结果的有效性。第叁部分:考虑了一类具有非线性不确定项和未知参数的非完整系统的自适应输出反馈控制问题。所解决的问题是设计自适应输出反馈控制器使得闭环系统的状态是全局渐近稳定的,通过运用反推技术得到这类控制器设计问题的解。同时,为了避免x-子系统在极限状态的不可控性以及系统的状态发生有限时间逃逸,运用了与第一部分类似的状态-输入坐标变换方法和切换控制策略。同时,在这一部分中运用的调节函数技术有效地避免了过参数现象的发生。最后通过仿真算例验证了所得结果的有效性。
朱成龙[10]2015年在《欠驱动系统的非线性控制研究》文中认为欠驱动系统是一类特殊而又重要的力学系统,是目前自动控制研究的一个前沿方向.非完整系统作为一类运动受限的欠驱动系统,其研究具有重要的理论价值和实际意义.倒立摆作为另一类典型的欠驱动系统,具有广泛的工程和物理背景.本文针对欠驱动系统的两种形式,在相关背景知识和现有研究成果的基础上,展开欠驱动系统的非线性控制研究.文章主要工作包括以下叁部分:1)一般非完整动力学系统的有限时间控制.在虚拟控制系数和系统参数未知的情形下,针对一类非常一般的非完整动力学系统,给出了有限时间镇定控制方案.有限时间收敛控制律的设计应用了最小膨胀度的坐标变换和终端滑模的技术.根据系统能否转化成线性时不变系统,提出了两种控制策略以保证系统的状态在有限时间收敛到零.简化的气垫船系统的镇定问题和轮式移动机器人的停车问题的仿真实验说明了该控制方法的有效性和实际应用性.2)车轨长度受限的并行双摆能量控制.采用牛顿-欧拉方法建立了并行二级倒立双摆系统的数学模型.将能量控制方法应用于并行二级倒立摆系统上,基于一个能量形式的李雅普诺夫函数设计单一控制器.控制摆杆在达到垂直向上的位置时使摆杆的能量为零,通过控制摆杆能量来实现并行双摆的起稳摆控制.由于车摆系统小车位移受轨道长度限制,又考虑了小车位移的控制问题.所设计的控制器同时使小车的速度收敛到零,满足了车轨长度有限这一实际要求.控制器结构简单便于调参,收敛性能好.通过计算机仿真验证了所提出的控制策略的良好性能.3)平面倒立摆的自适应跟踪与镇定控制.首先采用拉格朗日方程建立了平面倒立摆的精确数学模型.然后,针对平面倒立摆动力学系统的欠驱动特性,结合系统的能量设计了自适应跟踪控制器,实现了基座小车的圆周轨迹跟踪与摆杆镇定.相比于其他方法设计的控制器,它不需要对实际摆系统进行任何的近似解耦和小邻域内的线性化处理.在系统存在未知机械摩擦和空气阻力的影响,同时基座轨道与小车质量以及摆杆长度存在测量误差干扰时,设计自适应跟踪控制器,证明了闭环系统的稳定性.根据变化的系统参数和不同的初态进行仿真实验,数据仿真结果验证了控制算法的有效性.
参考文献：
[1]. 水面无人平台动力学建模及姿态稳定性研究[D]. 李珂翔. 南京理工大学. 2014
[2]. 一种球形移动机器人的运动分析与控制技术的研究[D]. 刘大亮. 北京邮电大学. 2009
[3]. 球形机器人坡面运动的控制方法研究[D]. 于涛. 北京邮电大学. 2014
[4]. 自动引导车运动分段控制技术研究[D]. 尹晓红. 合肥工业大学. 2011
[5]. 平面欠驱动机器人Pendubot的位置控制策略研究[D]. 罗亦彪. 中南大学. 2012
[6]. 自主移动机器人轨迹跟踪与避障控制研究[D]. 金娟. 湖南大学. 2014
[7]. 非完整控制系统的非线性控制策略研究[D]. 王家军. 天津大学. 2003
[8]. 二阶非完整性水下机器人的路径跟踪与协调控制研究[D]. 向先波. 华中科技大学. 2010
[9]. 非完整系统的输出反馈控制问题的研究[D]. 鞠桂玲. 曲阜师范大学. 2008
[10]. 欠驱动系统的非线性控制研究[D]. 朱成龙. 曲阜师范大学. 2015
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