基于虚拟模型控制的四足机器人对角小跑动态控制*

基于虚拟模型控制方法,根据四足机器人单腿雅克比矩阵得到支撑相与摆动相的控制法则。为实现机器人躯体的完全控制,提出了一种控制目标分解的方法,将四足机器人躯体的控制目标分解到每条支撑腿的控制上。通过构建每条支撑腿的虚拟构件,并将虚拟构件产生的虚拟力转换为期望关节力矩,从而实现支撑腿的虚拟模型控制;实时规划摆动足的运动轨迹,利用虚拟构件连接摆动腿的足端与期望的摆动轨迹,实现摆动腿的虚拟模型控制。在设定四条腿的相位轮换规律的基础上,对一个四足机器人二维平面模型进行对角小跑步态下的速度控制及抗干扰仿真试验。仿真结果证明该控制方法能够有效控制机器人躯体的高度、速度及倾角,实现四足机器人对角小跑运动的动态控制并具有一定的抗冲击干扰能力。     

四足机器人对角小跑动态控制

基于虚拟模型控制方法,根据四足机器人单腿雅克比矩阵得到支撑相与摆动相的控制法则。为实现机器人躯体的完全控制,提出了一种控制目标分解的方法,将四足机器人躯体的控制目标分解到每条支撑腿的控制上。通过构建每条支撑腿的虚拟构件,并将虚拟构件产生的虚拟力转换为期望关节力矩,从而实现支撑腿的虚拟模型控制;实时规划摆动足的运动轨迹,利用虚拟构件连接摆动腿的足端与期望的摆动轨迹,实现摆动腿的虚拟模型控制。在设定四条腿的相位轮换规律的基础上,对一个四足机器人二维平面模型进行对角小跑步态下的速度控制及抗干扰仿真试验。仿真结果证明该控制方法能够有效控制机器人躯体的高度、速度及倾角,实现四足机器人对角小跑运动的动态控制并具有一定的抗冲击干扰能力。     

一种负载型四足步行平台复杂地形静步态行走位姿调整方法

针对负载型四足步行平台位姿调整方法研究的不足,对其姿态调整过程及目标姿态角选择进行了研究。首先,在步行平台运动学及足端活动空间分析的基础上,利用支撑腿形成的支撑平面对地形进行感知,结合步态参数三角形及下一摆动腿的运动学裕度得到平台期望位姿及摆动腿起步点位置;然后,将步行平台位姿调整过程分为减速、调整及重新规划3个阶段,结合边界条件对各阶段机体轨迹进行规划;最后,对步行平台复杂地形静步态行走进行了仿真。结果表明:步行平台行走过程中依据地形特征不断调整姿态,平稳通过了复杂地形,验证了所提位姿调整方法的合理性。     

四足步行机动平台半圆柱形足端偏差分析

通过正逆运动学分析和足端轨迹规划,提出通过分析半圆柱形足端轨迹目标规划点(Objective Programming Point,OPP)与实际规划点(Actual Programming Point,APP)的相对位置关系来解决机动平台足端轨迹偏差问题的方法。首先,将支撑段机体的运动轨迹等效到足端;然后,通过足端轨迹的OPP与APP之间相对位置关系,给出由APP轨迹计算OPP轨迹的方法;最后,对足端轨迹OPP与APP在4种相对位置关系下机动平台足端在摆动相和支撑相的偏差问题进行了分析。研究结果对认识半圆柱形足端偏差的产生机理和误差补偿具有参考意义。     

欠驱动关节机械臂位置控制研究

以具有欠驱动关节的水平两自由度机械臂为研究对象,研究当驱动关节达到指定位置后,以幅值和频率可调的驱动关节角速度信号为控制输入量来控制欠驱动关节的位置。用平均法对欠驱动机械臂的拉格朗日动力学模型进行了简化,并基于简化后的模型给出了闭环非线性反馈控制律。仿真结果表明,所设计的闭环非线性反馈控制率能够使任意初始位置的欠驱动关节趋近其指定位置。     

基于组合函数的弹药装填机器人轨迹规划

针对非确定环境下弹药装填机器人作业过程需满足平稳、连续及实时控制易于实现的要求,提出了基于三次多项式与五次多项式相结合的组合函数的弹药装填机器人轨迹规划方法,并对弹药装填机器人取弹作业进行了轨迹规划和仿真计算,实时得到各关节角度、角速度和角加速度,结果表明:该方法既能保证弹药装填作业过程的平稳性与连续性,又能满足作业轨迹高阶导数连续性的要求.     

步行机器人腿部液压驱动单元控制特性分析

针对目前步行机器人腿部液压驱动单元控制精度较差的问题,对步行机器人腿部液压驱动单元的控制特性进行了研究。建立了步行机器人右前腿髋前后摆关节液压驱动单元的三维模型和数学模型,并利用AMESim软件对其进行了分阶段双PID控制方法下的仿真。结果表明:采用分阶段双PID控制方法,可以有效提高腿部液压驱动单元的控制精度,为提高机器人机体在行进过程中的稳定性打下了基础。     

基于多传感器信息系统的仿人机器人步态规划算法改进研究

摘要：基于视觉传感器、角度传感器和力／力矩传感器组成的多传感器信息系统,对仿人机器人理想的步态规划算法进行了改进．以双目视觉立体标定原理处理视觉传感信息,从而判断目标距离及目标路径的可达性;通过角度传感器获取实时旋转角度,经参数调整减小执行误差;根据力／;5矩传感信息对支撑脚踝关节的侧摆角度进行增量式补偿．经实验验证,改进后的算法对机器人的步态稳定性控制具有良好的效果．     

接触力控制的单腿机器人姿态控制

为了使Acrobot(Acrobat类型的单腿机器人)在运动过程中相对地面没有滑动,设计了基于接触力控制的姿态控制系统,将水平方向接触力作为内环的控制对象并限制其大小,使其总能满足摩擦锥的约束,从而保证在小腿姿态角的跟踪过程中足与地面间不会产生滑动。在Acrobot的直立姿态处,对其动力学方程进行线性化,并得到驱动力矩—水平接触力—质心水平位置—小腿姿态角的传递函数链,进而设计小腿姿态角的多环控制系统。在MATLAB中用"Sim Mechanics"工具箱搭建了Acrobot的虚拟模型,仿真结果表明,所设计的多环控制系统在实现小腿姿态角跟踪控制的同时还能保证足与地面间不产生滑动。     

自由漂浮空间机器人关节故障锁定位置辨识

针对自由漂浮空间机器人在关节故障情况下关节锁定位置的辨识问题,根据其线动量守恒和角动量守恒特性,建立了关节故障锁定位置辨识的误差模型,提出了利用混沌粒子群优化(CPSO)搜索关节故障位置的辨识算法。最后采用虚拟样机技术,建立了空间机器人系统的虚拟样机,对空间机器人系统进行动力学仿真,获取了运动数据,采用此数据对提出的关节故障位置辨识算法进行了有效性验证。     

舰船舵减横摇广义预测约束控制

依据舵减摇状态空间模型,推导舵减横摇广义预测控制律,在舵角舵速约束的条件下,采用二次型规划计算控制量进行减横摇控制.对某一船舶在典型航行工况下进行了系统仿真,仿真结果表明,该方法不但可取得35%～45%的减摇效果,而且对横摇角速度与横摇角加速度也有40%左右的减小效果.     

三维最优制导律设计的旋量方法

针对BTT导弹制导过程中的双通道耦合问题,设计了一种非解耦的三维最优制导律。通过矢量方法和旋量方法分别建立了视线角速度模型和视线方位模型,从而得到导弹制导的三维模型。基于视线角缓变的假设,对制导模型进行了简化,得到其线性模型。分别针对无终端约束和有终端约束情况,运用二次型最优方法推导了最优三维制导律。该制导律避免了通道解耦,能够满足BTT导弹精确制导的要求。     

基于改进线性二次型调节器的近地轨道编队卫星鲁棒控制

为解决编队卫星在近地空间复杂力学环境特别是地球非球形摄动作用下构型易发散的问题,给出一种基于改进线性二次型调节器的编队卫星构型控制方法。该方法先估计近地空间编队卫星构型设计时由未建模摄动力引起的误差最大有界范围,再利用误差最大有界范围的二范数改进经典的线性二次型调节器控制方法,提高经典线性二次型调节器控制器在控制编队卫星构型时的鲁棒性。为评价改进方法的有效性,给出了一种鲁棒性强弱的量化评判标准。仿真结果表明,改进的方法可以大大提高经典线性二次型调节器方法的鲁棒性,增强编队卫星控制方法对各种不确定项的抵御能力。     

一种新型垂直起降无人机纵向控制系统的研究

重点介绍了一种新型垂直起降无人机(VTOL UAV)纵向控制系统的设计与仿真。以建立的VTOL UAV飞行动力学系统模型为基础,将系统动力学解耦到纵向和横向动力学模型。将传统控制理论与现代控制理论相结合,充分利用PID控制器原理简单、适应性强,线性二次型(LQR)调节器能改善内回路的动态特性和稳态性的特点,针对姿态角速度设计了内环LQR控制,针对姿态角设计了外环PID控制的双回路闭环控制器。所得到的控制器在MATLAB/SIMULINK环境中进行了仿真。仿真结果表明所设计的控制器是有效的,实现了对垂直起降无人机的纵向控制。     

基于旋量方法的高超声速飞行器三维非线性伪最优制导律设计

针对高超声速飞行器制导过程中的通道耦合问题,设计一种基于旋量方法的三维非线性伪最优制导律。引入角度矢量、视线旋量、视线旋量速度等概念,通过等价性证明,得出视线旋量、视线旋量速度控制分别与视线方位、视线角速度控制具有一致性的结论,从而将制导问题转化为视线旋量和旋量速度的控制问题;基于旋量方法构建弹目视线旋量、视线旋量速度模型,构建得到飞行器制导的三维非线性模型;为避免直接求解Riccati微分方程过程的复杂性,引入伪控制变量,将三维非线性制导模型转化为线性制导模型;分别针对无终端约束和有终端约束情况,基于二次型最优方法得到三维非线性伪最优制导律。该制导律避免了通道解耦,其制导参数又满足一定物理意义下的最优性。仿真结果验证了所设计制导律的有效性。     

作动器最优配置的柔性结构振动主动控制

柔性结构广泛应用于航空航天等领域,为了获得结构的最佳动力学性能,在主动振动控制中作动器或传感器位置优化成为关键。基于结构有限元动力学方程,在状态空间利用系统可控和可观Gramian矩阵考虑结构剩余模态的影响,推导一种新的作动器/传感器优化准则。根据优化准则结合非线性整数规划遗传算法对作动器的位置进行配置。以悬臂板为研究对象,采用基于状态反馈的线性二次型调节器研究悬臂板的振动控制效果。与其他配置方法进行比较,验证了新方法的优越性。     

基于松弛序列凸优化的轮式机器人协同轨迹规划

针对威胁环境下的多智能体协同轨迹规划问题,以轮式机器人为对象,研究了基于序列凸优化方法的协同轨迹规划方法.首先通过对轮式机器人模型的分析,给出单独轮式机器人实际物理约束,同时以状态量、控制量加权为性能指标,考虑运动学方程、避障避碰约束、个体物理性能约束、终端约束,建立多轮式机器人协同轨迹规划问题;其次,对运动学方程、避...     

约束条件下导弹姿态跟踪保性能控制

针对BTT导弹在飞行过程中模型存在较大不确定性,并且控制舵的摆角受到物理装置约束的情况,研究了在约束条件下导弹姿态跟踪保性能控制的设计问题。首先在弹道的特征点处将导弹的非线性运动瞬时线性化,将导弹看作是一个不确定线性系统,提出应用基于线性矩阵不等式的跟踪保性能控制设计姿态控制器,然后推导得到满足控制约束的充分条件,以定理的形式给出了约束条件下跟踪保性能控制存在的充分条件。最后以某型导弹的姿态控制为例,设计了其姿态的跟踪保性能控制器。六自由度仿真结果表明了所得方法的有效性和可行性。     

轮腿式无人战车越障性能分析

针对非结构化复杂路面环境下无人战车在执行军事运输、抢险救灾等任务时通过性不足的问题,提出了一种轮腿式全液压驱动的8轮无人战车,该战车通过摆臂的协同控制调整其运行姿态,可适应不同的复杂地形。越障性能是衡量无人战车通过性的关键要素,建立无人战车的越障动力学模型和姿态规划模型,通过求取轮腿式无人战车不同越障高度与摆臂摆角的关系式,得到无人战车典型垂直墙障碍的越障性能。在理论分析的基础上,利用QT、Simulink、ADAMS建立综合仿真平台,进行了仿真验证。研究表明：轮腿式全液压驱动的8轮无人战车可完成高度为轮胎直径1.176倍的垂直墙越障,具有良好的地形适应能力,为8轮无人战车的实验测试提供了理论参考。     

基于逐步后退法的车辆半侧液压主动悬挂最优控制设计与仿真

建立了充分考虑液压装置动力学特性的车辆半侧非线性主动悬挂模型,并提出了线性二次型最优控制与非线性逐步后退法相结合的内外环控制方案。首先根据目标需求在外环设计二次型指标下的最优控制器;然后在内环利用逐步后退法处理因液压装置引入的非线性项。仿真结果表明,使用该设计方案的主动悬挂可以获得比被动悬挂优越的车辆性能。