CN103869699A - 一种用于机载并联平台的鲁棒控制器设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于机载并联平台的鲁棒控制器的设计方法。1)以六自由度并联机器平台作为机载平台，平台的固定端的位姿是随机体呈动态变化的，而由六个并联的伸缩杆以及万向铰链控制工作台的位姿始终处于水平状态。2)利用分散控制方案对并联机器人系统进行分解，既简化了系统的结构，同时具有较强的鲁棒性。3)利用滑模控制方案消除由于高频切换致使被控系统产生抖振现象。4)通过RCLF(鲁棒控制Lyapunov函数)抑制系统的不确定性。该控制器可以实现对环境、模型、参数等不确定干扰因素的有效抑制。

Description

一种用于机载并联平台的鲁棒控制器设计方法

技术领域

本发明属于机器人控制控制技术领域，涉及一种机载并联机器人平台的鲁棒控制器的设计方法。

背景技术

并联机器人是由多条独立的运动链连接末端执行器和固定系统而形成的多闭环机构。它具有刚度大、承载能力强、误差小、精度高、自重负荷比小、动力性能好等一系列优点，已经成功地用于加工中心、操作机器人、运动训练装置及微动器等众多领域，并以其特有的并联机器人多运动链构成的闭环机构方式，成为一个潜在的高速高精度的运动平台。

在实际应用中，一方面对于机器人系统来说，由于其工作环境千变万化，在实际控制中将面临更多的不确定性因素，因而其运动控制要求有较强的扰动抑制能力；另一方面，由于其精确的数学模型很难获得，完全基于模型的控制难以获得满意的效果。因此要想使并联机器人在实际使用中发挥更大的作用，研究能有效抑制各种干扰以及参数、模型等不确定因素的控制策略是高精度并联机器人应用中的一个重要环节。目前大多数针对该系统的鲁棒控制的研究基本都是针对参数摄动以及外界环境干扰的存在，但是由于并联机器人动力学模型无法精确建立，实际的并行机器人系统中必然存在着非参数的不确定性，比如无模型动态特性、机器人各关节所受的摩擦力影响等，要想得较高的控制精度，这些因素不能被忽略。其中具有高度鲁棒性控制方法是解决该类问题的有效途径之一。

因此设计一种合理的用于机载并联平台的鲁棒控制器的设计方法具有重要的应用价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，设计一种用于机载并联平台的鲁棒控制器设计方法，实现对环境、模型、参数等不确定干扰因素的有效抑制。

本发明主要包括以下内容：

(1)考虑实际系统的特点，建立机载平台的动力学模型；

(2)对并联平台进行分解；

(3)采取措施消除高频抖动，增强实用性。

(4)对于机体本身所产生的扰动以及模型建立时的非参数不确定性等的抑制。

附图说明

图1机载并联平台示意图。

图中①铰链②伸缩杆③工作台④固定平台。

图2并联平台几何结构。

图3惯性矩阵元素分布。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明以机(车)载六自由度并联平台为研究对象(如图1所示)，其固定平台④固定在机(车)体。由于机体在运动过程中有一定的位姿，不能始终保持水平，因而区别于以往静止的并联平台，机(车)载并联平台的固定平台的位姿是动态变化的。由六个并联的伸缩杆②以及万向铰链①控制工作台的位置，以保证工作平台③始终处于水平状态，使负载位姿在运行中保持平稳。

(1)考虑实际系统的特点，建立机载平台的动力学模型

利用坐标变换，将问题由“固定平台在具有可测变化姿态的前提下，工作台必须保持水平”的稳定控制问题转化为“固定平台保持水平不变，工作台跟踪期望轨迹”的并联机器人的轨迹跟踪控制问题，方法如下：

平台的基本动力学模型为

$M\left(q\right)\stackrel{\·\·}{q}+C(q,\stackrel{\·}{q})+G\left(q\right)=J^T\left(q\right)u---\left(1\right)$

在该模型基础上考虑车体本身所产生的扰动信息、模型误差以及关节摩擦力补偿等不确定性因素，M、C、G、J矩阵将作相应的调整。由该模型可知，平台关节空间动力学模型存在复杂的耦合关系。在平台运动速度不高的情况下，式中左端第二项很小，可以忽略不计，而重力项可用前馈进行补偿，不影响系统的耦合性。因此，考虑支路粘性摩擦，式(1)可简化为

$M\left(q\right)\stackrel{\·\·}{q}+B_{m}l=J^T\left(q\right)u---\left(2\right)$

(2)利用分散控制方案对并联机器人系统进行分解

本发明提供了采用分散控制3个两输入两输出子系统的方法。对于耦合强烈支路加以整体考虑，降低了SISO方式将耦合作用视为未知干扰的保守性。使得控制器对支路负载变化具有自适应功能，可以取得更好的性能。

由于并联平台的铰链分布为规则的六边形(图2)，结合此特点可知M(q)为对角占优矩阵，其元素大小分布如图3所示，其中元素

较×绝对值大。

将M(q)阵分块为：

$M\left(q\right)=\left[\begin{array}{ccc}M{\left(q\right)}_{11}& M{\left(q\right)}_{12}& M{\left(q\right)}_{13}\\ M{\left(q\right)}_{21}& M{\left(q\right)}_{22}& M{\left(q\right)}_{23}\\ M{\left(q\right)}_{31}& M{\left(q\right)}_{32}& M{\left(q\right)}_{33}\end{array}\right]---\left(3\right)$

定义惯性平台对角占优指标：

$r_i=\underset{j\≠i}{\mathrm{\Σ}}{\left|\right|M{\left(q\right)}_{\mathrm{ij}}\left|\right|}_F^2/{\left|\right|M{\left(q\right)}_{\mathrm{ij}}\left|\right|}_F^2---\left(4\right)$

由于平台的r_i＜1，意味着惯性矩阵M(q)主对角块元素值大于非对角块元素值，即每个支路与其邻近支路耦合最为强烈。因此发明中将平台分解为3个独立的DIDO子系统，此时子系统间耦合作用较小，可以视为未知扰动。该分解方法既简化了系统的结构，同时具有较强的鲁棒性。

(3)利用滑模控制消除高频抖动

滑模控制可以对加给系统的扰动和参数摄动具有完全的自适应性。在并联机器人的设计中有较多的应用，并取得了较好的效果。另外，引入自适应模糊逻辑到滑模变结构控制中，采用非精确的推理方法来替换滑模中的不连续部分，从而消除由于高频切换致使被控系统产生抖振现象，实现优越的性能。

(4)用RCLF(鲁棒控制Lyapunov函数)抑制系统的不确定性

针对DIDO子系统负载随平台运动而变化的特点，引入线性变参数(LPV)控制方法，使得控制器对支路负载变化具有自适应功能，可以取得更好的性能。通过LPV变换，得到广义被控对象。

对于该对象，可以找到一个二次型Lyapunov函数，满足有界实引理条件。在保证稳定跟踪的前提下，对于车体本身所产生的扰动以及模型建立时的非参数不确定性等，由于其大致范围已知，因此采用鲁棒控制Lyapunov函数(RCLF)可以设计出系统的鲁棒控制器对上述不确定性加以抑制。

本发明提供了一种用于机载并联平台的鲁棒控制器的设计方法。该方法可实现记载伺服系统的稳定跟踪，同时可以实现对环境、模型、参数等不确定干扰因素的有效抑制。

Claims (6)

1.一种用于机载并联平台的鲁棒控制器设计方法，其特征在于以六自由度并联机器平台作为机载平台，设计系统的鲁棒控制器，以实现对环境、模型、参数等与平台相关的不确定干扰因素的有效抑制。

2.根据权利1所述的用于机载并联平台的鲁棒控制器设计方法，其特征在于选取的平台为六自由度的并联平台，并由六个并联的伸缩杆以及万向铰链控制工作台的位姿，平台的固定端的位姿是随机体呈动态变化的，而工作平台始终处于水平状态。

3.根据权利1所述的用于机载伺服系统的六自由度并联平台，其特征在于必须利用坐标变化将位置控制问题转化为轨迹跟踪控制问题，其动力学模型为如下形式：

$M\left(q\right)\stackrel{\·\·}{q}+C(q,\stackrel{\·}{q})+G\left(q\right)=J^T\left(q\right)u.$

4.根据权利1所述的用于机载并联平台的鲁棒控制器设计方法，其特征在于利用分散控制方案对并联机器人系统进行分解为3个两输入两输出子系统的方法。

5.根据权利1所述的用于机载并联平台的鲁棒控制器设计方法，其特征在于利用滑模控制设计系统控制器，并引入自适应模糊逻辑到滑模变结构控制中，采用非精确的推理方法来替换滑模中的不连续部分。

6.根据权利1所述的用于机载并联平台的鲁棒控制器设计方法，其特征在于利用鲁棒控制Lyapunov函数抑制系统的不确定性。

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