[发明专利]多目标约束下单关节机械臂系统的轨迹跟踪控制方法

说明书

本发明提供一种预定性能下单关节机械臂系统的轨迹跟踪控制方法，本发明基于目前有较少的研究是基于模糊状态观测器，将自适应事件触发的固定时间命令滤波器与障碍李雅普诺夫函数方法相结合应用到单关节机械臂非线性系统的现状，以单关节机械臂此类典型重复运动的非线性系统为对象进行轨迹跟踪控制的研究，与有限时间算法相比，具有更快的收敛速度；与一般的自适应反步控制相比，能够减轻通讯负担，减小计算量，因此对单关节机械臂的研究具有较高的工程实用价值。

技术领域

本发明涉及单关节机械臂系统的控制方法，具体涉及多目标约束下单关节机械臂系统的轨迹跟踪控制方法。

背景技术

机械臂不仅是关节机器人的重要组成部分，在工业中、制造业及国防军事等领域都发挥了重要作用，可在各种替代人力成本大及危险、复杂环境中进行生产作业，经过多年的研究与发展，已经在各个领域逐步走向了实用化，例如：(1)在民用领域，如礼仪机器人对公众提供迎宾服务，导航信息服务，才艺表演等；(2)在工业领域，如汽车生产线上焊接及加固螺丝的机械臂，工地上快速搬砖砌筑机器人、仓库里搬运打包的搬运，装配机器人等；(3)特种领域，如为国防军事、武警部队等提供排爆、危险性工作等；(4)航天航空领域，如在外太空工作站替代人类从事物件夹取、安装物体等。随着多关节机械臂在机器人上的广泛应用，为实现多关节机械臂(被控系统)性能指标实现综合最优，多关节机械臂最优控制方法逐渐成为关节机器人设计的重点。

自适应反步控制方法是一种能够处理非线性系统控制问题的有效算法，主要应用在系统的跟踪控制问题。反步法实际上是一种由前往后递推的设计方法，其中引进的虚拟控制本质上是一种静态补偿思想，前面子系统必须通过后面子系统的虚拟控制才能达到镇定的目的。在实际系统中，大多会有未知函数的存在，可以利用模糊逻辑系统或神经网络来逼近未知项。同时，在反步框架下，由于对虚拟控制信号的重复求导产生计算量“复杂性爆炸”的问题，通过引入动态面控制技术完美解决了这个问题，G.Sun等人把自适应模糊技术与DSC相结合，消除系统中不确定非线性的影响，然而，该方法没有考虑一阶滤波误差的影响；J.A.Farrell等人进一步提出了一种命令滤波技术，通过构建误差补偿机制来减少滤波误差的影响，但是以上基于命令滤波反步控制器只能实现渐近稳定。

与渐近控制方法不同，有限时间控制方法可以保证跟踪误差较快的收敛到平衡点，最近，Y.-X.Li等人研究了不确定非线性系统的有限时间命令滤波反步情况，在以上问题中，整定收敛时间与初始状态密切相关，但是一旦初始状态远离平衡点，收敛时间可能无效。目前，M.Chen等人首次研究了严格反馈非线性系统的自适应实际固定时间跟踪算法，其预测的收敛时间与初始值无关，随之而来的一个自然问题是：如何扩展这些传统的非线性控制来考虑通信负担的情况。通过引入事件触发控制策略可以有效的缓解通讯负担，减少不必要通讯资源的浪费，W.Yang等人进一步解决了基于事件触发的固定时间控制问题，但是，依然不能忽略约束条件在实际系统中的影响。

相关约束性问题通常会出现在诸如起重机、关节机械臂等工程实例中。如果这些约束问题没有得到适当的解决，它可能会降低系统的性能。但是，有关多目标约束问题还没有引起过多的研究。例如：在材料运送过程中，J.Liu等人提出的最短的距离和最低的运输成本就属于多目标约束，这可以使基本的控制方法变得更加有趣且具有挑战性，L.Liu等人进一步提出了一种具有多目标约束的非线性系统的自适应有限时间控制，最后利用Lyapunov稳定性理论保证系统的稳定性，从而实现单关节机械臂的轨迹跟踪控制。

综上，目前较少有研究是基于模糊状态观测器，并将自适应事件触发的固定时间命令滤波器与障碍李雅普诺夫函数方法相结合应用到单关节机械臂非线性系统。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是针对一类具有多目标约束和不可测量状态的非严格反馈非线性系统，提出一种结合状态观测器和障碍李雅普诺夫函数的自适应固定时间命令滤波跟踪控制策略，并具体提供一种多目标约束下单关节机械臂系统的轨迹跟踪控制方法。