【摘要】：欠驅(qū)動機(jī)器人是指系統(tǒng)的控制輸入數(shù)目少于系統(tǒng)自由度維數(shù)的機(jī)器人,它廣泛存在于民用、軍事、核工業(yè)和航空航天等各個領(lǐng)域。由于欠驅(qū)動機(jī)器人具有重量輕、能耗低、靈活性強(qiáng)等諸多優(yōu)點,其控制研究便具有重要的現(xiàn)實意義。鑒于欠驅(qū)動機(jī)器人的多樣性和復(fù)雜性,難以建立適用于所有欠驅(qū)動系統(tǒng)的控制方法,因此,欠驅(qū)動機(jī)器人的控制研究主要針對某一種或某一類系統(tǒng)。而目前針對多機(jī)器人系統(tǒng)的研究大都基于動態(tài)特性為全驅(qū)動的線性或簡單非線性系統(tǒng)。本文以基于拉格朗日模型的欠驅(qū)動機(jī)械臂和自身運動受限類的四旋翼飛行器兩個經(jīng)典的欠驅(qū)動機(jī)器人為對象,開展欠驅(qū)動多機(jī)器人系統(tǒng)的一致性及編隊控制研究,主要工作如下:首先,針對含有不確定項的欠驅(qū)動機(jī)械臂的有限時間控制問題,基于終端滑模思想和線性變換方法,設(shè)計有限時間擴(kuò)張狀態(tài)觀測器來估計系統(tǒng)不確定項。通過引入自適應(yīng)控制,提出一種改進(jìn)的非奇異終端滑�？刂撇呗�,使得欠驅(qū)動機(jī)械臂能夠?qū)崿F(xiàn)有限時間穩(wěn)定性;同時,以具有不確定項的四旋翼飛行器為研究對象,結(jié)合高增益觀測器,設(shè)計一個具有多時間尺度結(jié)構(gòu)的輸出反饋控制器,使得飛行器能夠達(dá)到有限時間軌跡跟蹤控制的目標(biāo)。其次,針對含有不確定項的欠驅(qū)動多機(jī)械臂系統(tǒng)的有限時間一致性控制問題,結(jié)合網(wǎng)絡(luò)通信拓?fù)鋱D,提出一種自適應(yīng)有限時間一致性控制策略。該策略不依賴于具體的系統(tǒng)模型信息,能夠?qū)崟r估計不確定項,且對高頻干擾信號不敏感,具有更強(qiáng)的適用性和魯棒性。同時,基于Lyapunov穩(wěn)定性理論和增加冪積分技術(shù),證明了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。再次,考慮到非理想網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中,多機(jī)器人系統(tǒng)受限于有限的通信資源。針對欠驅(qū)動多機(jī)械臂系統(tǒng)的事件觸發(fā)有限時間一致性控制問題,根據(jù)事件觸發(fā)控制機(jī)制和積分滑模控制思想,提出一種事件觸發(fā)有限時間一致性控制策略。該策略不僅可使得系統(tǒng)實現(xiàn)有限時間有界一致性,而且能夠節(jié)約系統(tǒng)通信能量和降低控制器的觸發(fā)頻率�；贚yapunov穩(wěn)定性理論,給出了系統(tǒng)高性能一致性控制的參數(shù)整定方法和無Zeno行為的證明。然后,針對由多個四旋翼飛行器組成的飛行器群組,考慮系統(tǒng)中存在不確定項的情形,設(shè)計一種分布式編隊控制策略。鑒于系統(tǒng)模型中存在的欠驅(qū)動特性和非線性耦合特性,采用具有兩個時間尺度結(jié)構(gòu)的擴(kuò)張高增益觀測器來估計系統(tǒng)不確定項�；谄娈悢z動理論和積分滑模控制思想,給出了各子系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析,使得四旋翼飛行器群組不僅能夠跟蹤期望軌跡,而且能夠達(dá)到并保持預(yù)定的編隊隊形。最后,針對四旋翼飛行器群組的時變編隊控制問題,綜合考慮非理想網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的有限通信資源問題,根據(jù)奇異攝動理論設(shè)計一種動態(tài)事件觸發(fā)編隊控制策略,并給出不同時間尺度上各子系統(tǒng)的穩(wěn)定性證明和無Zeno行為的證明。該策略不僅能夠完成時變編隊任務(wù),還能夠減少網(wǎng)絡(luò)能耗。相較于靜態(tài)事件觸發(fā)機(jī)制,該策略可以在高性能的編隊控制和減少事件觸發(fā)通信次數(shù)之間作出權(quán)衡。
【圖文】：

c) 核工業(yè)中遠(yuǎn)程設(shè)備維修 d) 軍事中無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)圖 1-2 多機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用實例（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）Fig.1-2 Applications of multi-robot systems (From Internet)a) 航空中設(shè)備維護(hù)與搶修 b) 通訊衛(wèi)星編隊圖 1-3 多機(jī)器人系統(tǒng)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用場景（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）Fig.1-3 Application scenarios of multi-robot systems in aerospace (From Internet)基于多機(jī)器人系統(tǒng)的屬性，各個機(jī)器人通過網(wǎng)絡(luò)途徑進(jìn)行系統(tǒng)信息的傳輸與共享。網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量的高低直接影響著多機(jī)器人系統(tǒng)的控制性能。而在非理想的網(wǎng)絡(luò)

- 3-a) 航空中設(shè)備維護(hù)與搶修 b) 通訊衛(wèi)星編隊圖 1-3 多機(jī)器人系統(tǒng)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用場景（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）Fig.1-3 Application scenarios of multi-robot systems in aerospace (From Internet)基于多機(jī)器人系統(tǒng)的屬性，各個機(jī)器人通過網(wǎng)絡(luò)途徑進(jìn)行系統(tǒng)信息的傳輸與共享。網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量的高低直接影響著多機(jī)器人系統(tǒng)的控制性能。而在非理想的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，諸如有限網(wǎng)絡(luò)帶寬、通訊時延、數(shù)據(jù)丟失等問題嚴(yán)重影響著系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，甚至造成系統(tǒng)的癱瘓[32]。一方面，在理想通訊網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，多機(jī)器人系統(tǒng)的通信具有固定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，然而考慮到非理想網(wǎng)絡(luò)中的不確定因素，多機(jī)器人系統(tǒng)具有
【學(xué)位授予單位】：燕山大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TP242

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2696286