[发明专利]一种自由漂浮空间机械臂自适应容错控制方法有效

专利信息
申请号: 201910776466.3 申请日: 2019-08-22
公开(公告)号: CN110340898B 公开(公告)日: 2020-12-01
发明(设计)人: 王陈亮;杨晨;郭雷;乔建忠 申请(专利权)人: 北京航空航天大学
主分类号: B25J9/16 分类号: B25J9/16
代理公司: 北京科迪生专利代理有限责任公司 11251 代理人: 安丽;杨学明
地址: 100191*** 国省代码: 北京;11
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摘要:
搜索关键词: 一种 自由 漂浮 空间 机械 自适应 容错 控制 方法
【权利要求书】:

1.一种自由漂浮空间机械臂自适应容错控制方法,其特征在于,包括以下步骤:

(1)建立自由漂浮空间机械臂在抓捕未知物体后形成的组合体动力学模型和具有一般性的机械臂关节执行器故障模型;

(2)基于步骤(1)建立的自由漂浮空间机械臂组合体动力学模型,利用预设指定性能函数建立机械臂关节角度经过非线性映射后的误差值;

(3)根据步骤(1)建立的自由漂浮空间机械臂组合体动力学模型,引入径向基函数神经网络来估计系统中未知的非线性部分;

(4)结合步骤(2)的预设指定性能函数和步骤(3)径向基函数神经网络,通过反步法设计空间机械臂的自适应律和自适应控制器,从而实现自由漂浮空间机械臂在抓捕未知物体后关节角度对期望轨迹的跟踪;

所述步骤(1)的自由漂浮空间机械臂在抓捕未知物体后形成的组合体动力学模型为:

具有一般性的机械臂关节执行器故障模型为:

τmj=kj(t)uj(t),j=1,2,3…n

其中,x1=qm,qm为机械臂关节角度,为x1相对时间的导数;为机械臂关节角速度,为x2相对时间的导数;qb为基座的姿态角度,为基座的姿态角速度;τm=[τm1,…,τmn]T表示关节实际执行的控制力矩,τmj是第j个关节的实际执行的控制力矩,是τm的分量;是以x1,x2,qb和为变量的未知非线性矩阵,是n维的列向量,f1,…,fn分别是矩阵的n个元素;g(x1,qb)是以x1和qb为变量的未知非线性矩阵,是n×n的矩阵,g11,…,gnn分别是矩阵g(x1,qb)的n×n个元素;kj(t)为第j个关节的关节力矩的乘性故障系数,且满足0<kj(t)≤1;uj(t)为第j个关节应执行的理想控制力矩;t为时间;

所述步骤(2)中,建立机械臂关节角度经过非线性映射后的误差值:

其中,z1,i为经过非线性映射后的误差值,并组成z1=[z1,i,…,z1,n]为经过非线性映射后的误差变量;为非线性映射函数,将简记为Wi;εi(t)为第i个机械臂关节角度与期望角度的误差值,ε(t)简记为εi;

表示所选的预设指定性能函数,pi(t)简记为pi,是非负递减的,pi0为指定性能函数的初始值,且pi0>0,pi∞表示指定性能函数的稳态值,且pi∞>0,a=[a1,…,an]T决定指定性能函数的收敛速度;和bi分别为预设性能的上界与下界参数;

所述步骤(3)中,根据步骤(1)建立的自由漂浮空间机械臂组合体动力学模型和执行器故障模型,引入径向基函数神经网络来估计系统中未知的非线性部分中:

利用径向基函数神经网络来逼近连续函数Fi(ξ),将其表示如下:

其中,ξ是径向基神经网络的输入量;θi是由Ni个节点组成的最优权重向量;是连续函数Fi(ξ)的基函数向量,其中,分别是Ni个节点的基函数值,ζi,j和分别为径向基函数的中心和宽度,φi(ξ)简记为φi;Δi(ξ)表示近似误差;δ>0为常数;

所述步骤(4)中,通过反步法设计空间机械臂的自适应律和自适应控制器如下:

基于反步法,首先引入一个新的误差变量z2=x2-α,设计虚拟控制量为:

其中,c1>0为虚拟控制器的增益;qmr为机械臂关节的期望关节角度;为书写简便记η=diag{η1,…,ηn},和表示函数Wi对的偏导,为pi相对时间的导数;

基于虚拟控制量,设计自适应控制器:

自适应律:

其中:

为n个基函数向量组成的基函数矩阵;c2>0为控制器的增益;为书写简洁,引入向量简化等式,记是由n个最优权重向量组成的列向量,为θ的估计值,是的自适应律;与构建的一般性的机械臂关节执行器故障模型相结合,构建时变控制增益矩阵K(t)=diag{k1(t),…,kn(t)},对K(t)进行界估计,则存在常数使K(t)在的任何时间内都有的最小特征值λmin(K(t))≥km>0,是km的倒数,是b的估计值,是的自适应律;Γ是控制器增益矩阵,是N×N的正对称矩阵,是n个节点个数的加和;γ,∈和μ为设计参数,均为正常数。

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