欠驱动多机器人系统一致性及编队控制研究

发布时间：2020-06-04 11:01

【摘要】：欠驱动机器人是指系统的控制输入数目少于系统自由度维数的机器人,它广泛存在于民用、军事、核工业和航空航天等各个领域。由于欠驱动机器人具有重量轻、能耗低、灵活性强等诸多优点,其控制研究便具有重要的现实意义。鉴于欠驱动机器人的多样性和复杂性,难以建立适用于所有欠驱动系统的控制方法,因此,欠驱动机器人的控制研究主要针对某一种或某一类系统。而目前针对多机器人系统的研究大都基于动态特性为全驱动的线性或简单非线性系统。本文以基于拉格朗日模型的欠驱动机械臂和自身运动受限类的四旋翼飞行器两个经典的欠驱动机器人为对象,开展欠驱动多机器人系统的一致性及编队控制研究,主要工作如下:首先,针对含有不确定项的欠驱动机械臂的有限时间控制问题,基于终端滑模思想和线性变换方法,设计有限时间扩张状态观测器来估计系统不确定项。通过引入自适应控制,提出一种改进的非奇异终端滑模控制策略,使得欠驱动机械臂能够实现有限时间稳定性;同时,以具有不确定项的四旋翼飞行器为研究对象,结合高增益观测器,设计一个具有多时间尺度结构的输出反馈控制器,使得飞行器能够达到有限时间轨迹跟踪控制的目标。其次,针对含有不确定项的欠驱动多机械臂系统的有限时间一致性控制问题,结合网络通信拓扑图,提出一种自适应有限时间一致性控制策略。该策略不依赖于具体的系统模型信息,能够实时估计不确定项,且对高频干扰信号不敏感,具有更强的适用性和鲁棒性。同时,基于Lyapunov稳定性理论和增加幂积分技术,证明了闭环系统的稳定性。再次,考虑到非理想网络环境中,多机器人系统受限于有限的通信资源。针对欠驱动多机械臂系统的事件触发有限时间一致性控制问题,根据事件触发控制机制和积分滑模控制思想,提出一种事件触发有限时间一致性控制策略。该策略不仅可使得系统实现有限时间有界一致性,而且能够节约系统通信能量和降低控制器的触发频率。基于Lyapunov稳定性理论,给出了系统高性能一致性控制的参数整定方法和无Zeno行为的证明。然后,针对由多个四旋翼飞行器组成的飞行器群组,考虑系统中存在不确定项的情形,设计一种分布式编队控制策略。鉴于系统模型中存在的欠驱动特性和非线性耦合特性,采用具有两个时间尺度结构的扩张高增益观测器来估计系统不确定项。基于奇异摄动理论和积分滑模控制思想,给出了各子系统的稳定性分析,使得四旋翼飞行器群组不仅能够跟踪期望轨迹,而且能够达到并保持预定的编队队形。最后,针对四旋翼飞行器群组的时变编队控制问题,综合考虑非理想网络环境的有限通信资源问题,根据奇异摄动理论设计一种动态事件触发编队控制策略,并给出不同时间尺度上各子系统的稳定性证明和无Zeno行为的证明。该策略不仅能够完成时变编队任务,还能够减少网络能耗。相较于静态事件触发机制,该策略可以在高性能的编队控制和减少事件触发通信次数之间作出权衡。
【图文】：

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c) 核工业中远程设备维修 d) 军事中无人机协同作战图 1-2 多机器人系统的应用实例（图片来源于网络）Fig.1-2 Applications of multi-robot systems (From Internet)a) 航空中设备维护与抢修 b) 通讯卫星编队图 1-3 多机器人系统在航空航天领域的应用场景（图片来源于网络）Fig.1-3 Application scenarios of multi-robot systems in aerospace (From Internet)基于多机器人系统的属性，各个机器人通过网络途径进行系统信息的传输与共享。网络通信质量的高低直接影响着多机器人系统的控制性能。而在非理想的网络

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- 3-a) 航空中设备维护与抢修 b) 通讯卫星编队图 1-3 多机器人系统在航空航天领域的应用场景（图片来源于网络）Fig.1-3 Application scenarios of multi-robot systems in aerospace (From Internet)基于多机器人系统的属性，各个机器人通过网络途径进行系统信息的传输与共享。网络通信质量的高低直接影响着多机器人系统的控制性能。而在非理想的网络环境中，诸如有限网络带宽、通讯时延、数据丢失等问题严重影响着系统的稳定性能，甚至造成系统的瘫痪[32]。一方面，在理想通讯网络环境下，多机器人系统的通信具有固定拓扑结构，然而考虑到非理想网络中的不确定因素，多机器人系统具有
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP242

【参考文献】