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平面欠驱动机器人Pendubot的位置控制策略研究

作　者: 罗亦彪
导　师: 赖旭芝; 陈鑫
学　校: 中南大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 欠驱动机械系统平面Pendubot 微分同胚变换 Lyapunov方程等价输入干扰
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 44次
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内容摘要

平面Pendubot是一类典型的欠驱动机械系统,它是一个在水平面上运动的两杆机器人,有两个自由度但只有一个驱动装置,其控制目标是从任意初始位置运动并稳定在给定的平衡位置。由于平面欠驱动两杆机器人具有高度复杂的非线性特性,且不满足局部小时域可控性,其控制仍然是一个开放问题。本论文针对在被动关节加入弹簧的平面Pendubot,研究其位置控制策略,通过仿真实验,对控制策略进行分析和验证。首先,利用拉格朗日方程建立平面Pendubot的动力学模型,并分析系统的运动特性以及弹簧对系统运动特性的影响。然后,基于等价输入干扰方法设计控制策略,只利用系统的角度信息实现机器人从任意初始位置到目标位置的控制；控制策略的设计过程包括两步：第一步,通过微分同胚坐标变换将系统动力学模型转换为非线性级联系统，同时将平面Pendubot的位胃控控制问题转化为新系统的平衡点镇定问题；第二步,将非线性级联系统进一步划分为线性部分和非线性部分,并将非线性部分视为外在扰动来引入等价输入干扰方法,基于分离定理分别设计反馈控制器和状态观测器,从而实现机器人的控制目标。最后,为进一步改善控制性能,提出基于系统能量和驱动杆姿态的控制策略，并基于拉萨夫最大不变集原理保证机器人的全局稳定性。该控制策略具有控制输入力矩小,结构简单，易于实现的优点。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-14
  1.1 研究目的与意义  8-9
  1.2 国内外研究现状  9-12
  1.3 研究内容  12
  1.4 论文结构  12-14
第二章平面Pendubot动力学模型  14-26
  2.1 平面Pendubot的物理模型  14-15
  2.2 平面Pendubot的动力学描述  15-19
    2.2.1 拉格朗日方程  15
    2.2.2 动力学模型  15-19
  2.3 平面Pendubot的运动特性分析  19-25
    2.3.1 二阶非完整特性  19-22
    2.3.2 不可严密线性化性  22-24
    2.3.3 平衡点可镇定性  24-25
  2.4 小结  25-26
第三章基于等价输入干扰信号的位置控制策略  26-40
  3.1 坐标变换  26-27
  3.2 位置控制策略设计  27-32
    3.2.1 等价输入干扰推测  29-30
    3.2.2 反馈控制器设计  30-31
    3.2.3 状态观测器设计  31-32
  3.3 稳定性分析  32-33
  3.4 仿真实验与结果分析  33-39
  3.5 小结  39-40
第四章基于系统能量和姿态的位置控制策略  40-51
  4.1 控制策略设计  40-42
  4.2 稳定性分析  42-44
  4.3 控制策略优化  44-45
  4.4 仿真实验与结果分析  45-50
  4.5 小结  50-51
第五章结论与展望  51-53
  5.1 结论  51
  5.2 展望  51-53
参考文献  53-59
致谢  59-60
攻读学位期间主要的研究成果  60

平面欠驱动机器人Pendubot的位置控制策略研究

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