双臂空间机器人捕获目标过程的协调操作滑模控制

空间机器人捕获目标的双臂协调操作控制复杂,要考虑机械臂与基座的协调运动控制及双臂对目标夹持内力控制。根据闭链动力学模型,设计一种基于干扰观测器的滑模控制算法,对捕获目标后空间机器人漂浮基座姿态、机械臂关节角及双臂对目标夹持内力进行协调操作控制。仿真试验表明双臂协调操作滑模控制可以克服未知干扰且具有较强的鲁棒性。     

双臂空间机器人姿态与关节协调运动的自适应控制、鲁棒控制

讨论了载体位置不受控制情况下的双臂空间机器人姿态和关节协调运动的自适应与鲁棒控制问题。利用拉格朗日方法导出了双臂空间机器人欠驱动形式的系统动力学方程;在该方程的基础上,基于增广变量法（恰当地扩展系统的控制输入和输出）,成功地克服了完全能控形式的空间机器人系统动力学方程关于惯性参数呈非线性函数关系的难点;针对双臂空间机器人两末端抓手所持载荷参数未知与不确定两种情况,分别设计了载体姿态与机械臂各关节协调运动的自适应控制和鲁棒控制方案。系统数值仿真表明,两种控制方案均可有效消除空间机器人系统惯性参数未知和不确定的影响,控制双臂空间机器人的载体姿态与机械臂各关节准确地完成期望的运动。     

基于障碍Lyapunov函数的双臂空间机器人捕获卫星柔顺控制

空间机器人捕获卫星操作过程中不可避免地会与卫星接触、碰撞，此过程中若未对其关节进行有效的保护，很容易造成捕获操作失败，因此提出在各关节电机与机械臂之间添加一种弹簧阻尼机构，该机构不仅能够实现碰撞冲击能量的吸收及柔性振动的抑制，还能配合设计的柔顺策略实现捕获操作的柔顺化。分别利用含耗散力Lagrange方程与Newton-Euler方程导出了碰撞前的双臂空间机器人与卫星分体系统动力学方程；结合Newton第三定律、捕获点的速度及闭链几何约束获得了捕获完成后的混合体系统动力学方程，且通过动量守恒关系计算了碰撞冲击效应与冲击力；基于障碍Lyapunov函数设计了一种状态约束控制方法，实现了轨迹的高精度跟踪；采用模糊自适应控制器对系统的不确定项进行拟合，解决了系统参数不确定的影响。通过Lyapunov定理证明了系统的稳定性，并利用数值模拟验证了缓冲机构的抗冲击性能及所提柔顺策略的有效性。     

无速度反馈的双臂空间机器人模糊滑模控制

针对存在不确定性且无速度反馈的自由漂浮双臂空间机器人关节轨迹跟踪控制问题,提出了一种基于状态观测器的模糊滑模控制方法.根据双臂空间机器人完全驱动动力学方程以及运动学方程,建立自由漂浮状态下系统的关节空间动力学方程.利用模糊系统的万能逼近特性对系统不确定部分进行逼近,并设计状态观测器在线估计系统关节运动的角速度信息.以关节角度和观测器获得的关节角速度作为系统状态反馈,在传统滑模控制方法基础上,进一步考虑系统惯性参数未知导致的建模误差,设计模糊滑模控制器,实现了双臂空间机器人系统关节角度的轨迹跟踪控制.数值仿真验证了所提控制方法的有效性.     

漂浮基姿态受控空间机器人关节运动的自适应模糊滑模控制

重点研究了载体位置无控、姿态受控情况下,空间机器人姿态、关节协调运动的自适应模糊滑模控制问题。由拉格朗丑第二类方法及系统动量守恒关系,建立了漂浮基空间机器人的系统动力学方程。以此为基础,针对空间机器人所有惯性参数均未知的情况,设计了空间机器人载体姿态与机械臂各关节协调运动的自适应模糊滑模控制方案。数值仿真的结果,证实了该控制方案的有效性。     

基于T-S模糊系统的漂浮基空间机器人关节协调运动的分散自适应滑模控制

针对载体位置和姿态均不受控的漂浮基空间机器人系统动力学方程难以预知的情况,提出了一种基于模糊逻辑系统的分散自适应滑模控制方案。利用第二类拉格朗日方法建立了空间机器人系统动力学方程。针对空间机器人的每一个自由度,将其动力学描述为分散交联子系统的集合。使用T-S模糊逻辑系统逼近子系统未知的动力学模型,然后设计自适应滑模控制器消除交联项和模糊逼近误差对轨迹跟踪性能的影响,并用Lyapunov理论证明控制器的稳定性。这种控制方法不需要预知系统动力学方程。数值仿真结果证实了该分散控制器的可靠性和有效性。     

双臂空间机器人捕获非合作目标冲击效应分析及闭链混合系统力/位形鲁棒镇定控制

分析漂浮基双臂空间机器人捕获非合作目标所受的冲击影响效应,及捕获后空间机器人和目标组成的闭链混合系统对目标夹持内力和位形的鲁棒镇定控制。将捕获目标过程视为两机械臂末端与目标碰撞前、碰撞过程和碰撞后三个阶段。在碰撞前空间机器人和目标是分离的两分体系统,利用第二类拉格朗日方程建立漂浮基双臂空间机器人系统的动力学模型。在机械臂末端与目标碰撞阶段,基于空间机器人与目标总动量守恒,利用动量定理计算翻滚目标对空间机器人运动状态的冲击影响效应。在碰撞后,双臂空间机器人已捕获翻滚目标并组成闭链混合系统,针对混合系统在碰撞阶段受冲击影响而产生不稳定运动,提出一种鲁棒控制算法对其进行镇定控制,以实现双臂对目标夹持内力和空间机器人位形的协调控制,并达到期望的稳定状态。数值仿真验证了上述控制算法的有效性。     

漂浮基双臂空间机器人系统协调运动的模糊小波神经网络控制

讨论了本体姿态受控、位置不受控的情况下,漂浮基双臂空间机器人系统协调运动的动力学控制问题。依据系统动量守恒关系和拉格朗日第二类方程,推导了漂浮基双臂空间机器人系统的动力学方程。在系统参数未知的情况下,提出了一种小波基模糊神经网络控制器,以使双臂空间机器人系统的本体姿态和机械臂关节铰协调地跟踪各自在关节空间的期望运动轨迹。提出控制器的优点在于：不仅不要求系统动力学方程关于惯性参数呈线性函数关系,而且也不需要知道系统参数;由于采用反向传播算法对网络参数进行在线训练,从而使模糊神经网络具有较好的自学习和自适应能力,这样就不需要事先进行离线训练,更适应于空间机器人系统的实际应用。利用一个双臂空间机器人系统的仿真结果,验证了所提出控制器的有效性。     

双臂空间机器人基于高斯型函数的姿态、关节运动模糊自适应补偿控制

讨论了载体姿态受控、位置不受控情况下,具有未知载荷参数的漂浮基双臂空间机器人系统关节运动的控制问题。利用拉格朗日方法并结合系统动量守恒关系,分析、建立了漂浮基双臂空间机器人完全能控形式的系统动力学方程。以此为基础,针对双臂空间机器人2个末端爪手所持载荷参数未知的情况,设计了一种基于标称计算力矩控制器附加模糊自适应补偿控制器的复合控制方案,即通过模糊自适应补偿控制器来弥补系统参数未知对标称计算力矩控制器控制精度的影响,以确保存在未知系统参数情况下整个闭环控制系统的渐近稳定性。该控制方案能够有效地控制漂浮基双臂空间机器人的载体姿态及机械臂关节协调地完成期望的轨迹运动,并具有不需要反馈和测量双臂空间机器人载体的位置、移动速度、移动加速度,同时也不要求系统动力学方程关于系统惯性参数呈线性函数关系的显著优点。通过系统数值仿真证实了该方案的有效性。     

自由浮动柔性双臂空间机器人系统动力学建模与抑振控制

柔性多臂空间机器人是一个高度非线性、强耦合的动力学系统。本文基于假设模态法、La-grange方程和动量守恒原理,推导了一种自由浮动柔性双臂空间机器人协调操作刚性负载闭链系统的动力学模型。针对空间柔性机械臂的弹性形变和振动问题,设计了线性二次型最优控制方法对其进行振动主动控制,并通过仿真实验验证了该方法的有效性。     

柔性基、柔性关节空间机械臂的运动混合控制

为解决具有不确定性柔性基、柔性关节空间机械臂的控制问题,提出一种自适应鲁棒终端滑模控制与自适应最优控制相结合的混合控制方案。首先,利用奇异摄动法将系统降阶为慢变子系统及快变子系统;其次,针对慢变系统设计一种由等效控制、鲁棒控制及自适应调节算法组成的轨迹跟踪自适应鲁棒终端滑模控制方案;之后,针对快变系统设计一类基于自适应状态观测的振动最优控制策略。仿真结果表明所提方案在系统刚性、柔性运动控制上的有效性。     

空间机器人执行器部分失效故障的终端滑模容错控制

针对空间机器人在太空作业时执行器发生部分失效故障的问题，设计了一种基于非奇异终端滑模的分散容错控制方法。根据线动量守恒定律与拉格朗日法建立了系统的动力学方程，然后基于载体和关节的局部信息将系统进行分散，从而得到子系统的动力学方程;将子系统动力学方程中表示执行器故障程度的有效因子进行变量分离，再利用自适应分散神经网络对分离后的变量进行实时估计，根据估计结果在线设计控制律以消除执行器故障对系统稳定性的影响，保证良好的轨迹跟踪性能。通过Lyapunov函数法证明了该控制方案能保证整个闭环系统的渐进稳定性。仿真结果验证了控制方法的有效性。     

Adaptive super-twisting fractional-order nonsingular terminal sliding mode control of cable-driven manipulators

This paper proposes a novel adaptive super-twisting fractional-order nonsingular terminal sliding mode (AST–FONTSM) control scheme using time delay estimation (TDE) for the cable-driven manipulators. The designed control scheme utilizes TDE to obtain the estimation of system dynamics, and therefore no system dynamic model information will be required. Afterwards, AST and FONTSM schemes are applied to ensure good control performance in both reaching and sliding mode phases. Due to the adoption of AST scheme, good robustness and high control precision are obtained in the reaching phase, while the boundary information of the lumped uncertainties will be no longer required. Thanks to the utilization of FONTSM error dynamics, fast convergence and accurate tracking and strong robustness can be simultaneously ensured in the sliding mode phase. Corresponding comparative simulation and experimental results demonstrate the effectiveness and superiorities of our proposed method over the existing control methods.     

防抱制动系统参数自适应滑模变结构控制器的研究

首先针对具有参数不确定性的二阶非线性系统提出了自适应滑模变结构的控制算法 ,该算法的基本思想是用自适应策略来估计不确定系统的参数 ,根据估计出的参数值 ,来设计滑模控制器 ,优点是无须事先已知不确定参数的边界 ,并且由于在自适应变结构控制采用了消颤措施 (增加了消颤项 ) ,能削弱常规滑模控制所引起的颤振现象 ,也能提高单纯的自适应控制的鲁棒性能。而后将这一控制策略应用于防抱死制动系统 (ABS)的研究中 ,设计了防抱死制动系统的自适应滑模变结构控制器 ,通过计算机仿真 ,验证了该控制方案在 ABS应用中的可行性和有效性     

未知环境下柔性二连杆机械臂的自适应阻抗控制

针对机器人与环境接触作业的需求,基于假设模态法建立了刚柔耦合动力学模型,并考虑环境参数不精确干扰,设计了自适应阻抗控制器,分析了其稳定条件。在MATLAB/Simulink中搭建了可对柔性机械臂进行自适应阻抗控制的仿真平台,计算了平面内二连杆柔性机械臂在含有三角形凹陷环境表面的接触运动和柔性变形模态。对比分析了刚性和柔性机械臂位控和力控效果及自适应项对控制响应的影响。基于Staubli机器人展开了实验。结果表明：柔性变形会使得机械臂的位控和力控效果变差;自适应阻抗控制会改善控制响应,对环境不确定具有鲁棒性。设计的自适应阻抗控制可实现柔性机械臂在不规则表面的稳定接触和运动。     

龙门起重机的模糊滑模定位与防摆控制

提出了一种龙门起重机模糊滑模定位与防摆控制方案。考虑吊绳绳长的变化,把龙门起重机系统简化为三个多输入子系统,定义了四个滑模面,设计了模糊滑模控制器,使得起重机小车能快速精确到达期望位置,在负载快速提升和下降过程中抑制重物的摆动,并能准确跟踪吊绳绳长的变化,实现控制目标,提高生产效率,同时系统能快速到达滑平面,改善控制系统的性能。仿真结果证明了该控制方案的正确性和有效性。     

Robust passive control for a class of uncertain neutral systems based on sliding mode observer

The passivity-based sliding mode control (SMC) problem for a class of uncertain neutral systems with unmeasured states is investigated. Firstly, a particular non-fragile state observer is designed to generate the estimations of the system states, based upon which a novel integral-type sliding surface function is established for the control process. Secondly, a new sufficient condition for robust asymptotic stability and passivity of the resultant sliding mode dynamics (SMDs) is obtained in terms of linear matrix inequalities (LMIs). Thirdly, the finite-time reachability of the predesigned sliding surface is ensured by resorting to a novel adaptive SMC law. Finally, the validity and superiority of the scheme are justified via several examples.     

Time-varying sliding-coefficient-based decoupled terminal sliding-mode control for a class of fourth-order systems

A time-varying sliding-coefficient-based decoupled terminal sliding mode control strategy is presented for a class of fourth-order systems. First, the fourth-order system is decoupled into two second-order subsystems. The sliding surface of each subsystem was designed by utilizing time-varying coefficients. Then, the control target of one subsystem to another subsystem was embedded. Thereafter, a terminal sliding mode control method was utilized to make both subsystems converge to their equilibrium points in finite time. The simulation results on the inverted pendulum system demonstrate that the proposed method exhibits a considerable improvement in terms of a faster dynamic response and lower IAE and ITAE values as compared with the existing decoupled control methods.     

Adaptive fast sliding mode fault tolerant control integrated with disturbance observer for spacecraft attitude stabilization system

In this paper, the problem of fault-tolerant control (FTC) for spacecraft attitude stabilization system with actuator fault and mismatched disturbance is investigated. A novel fault tolerant control strategy based on adaptive fast terminal sliding mode control (AFTSMC) is proposed. Firstly, a novel composite observer is proposed to estimate the disturbance, actuator efficiency factor and partial states of the system. By introducing a sliding mode observer, the bias actuator fault is reconstructed. Subsequently, in accordance with the estimated information, a novel sliding mode fault tolerant controller is designed. The proposed control scheme contains two compensators and two adaptive parameters to attenuate the mismatched disturbance, to compensate actuator fault, and to guarantee fast convergence of the system. Furthermore, the reachability of sliding motion is proved. The simulation results for the spacecraft system illustrate the effectiveness of the proposed method.     

A novel adaptive sliding mode control with application to MEMS gyroscope

This paper presents a new adaptive sliding mode controller for MEMS gyroscope; an adaptive tracking controller with a proportional and integral sliding surface is proposed. The adaptive sliding mode control algorithm can estimate the angular velocity and the damping and stiffness coefficients in real time. A proportional and integral sliding surface, instead of a conventional sliding surface is adopted. An adaptive sliding mode controller that incorporates both matched and unmatched uncertainties and disturbances is derived and the stability of the closed-loop system is established. The numerical simulation is presented to verify the effectiveness of the proposed control scheme. It is shown that the proposed adaptive sliding mode control scheme offers several advantages such as the consistent estimation of gyroscope parameters including angular velocity and large robustness to parameter variations and external disturbances.