【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于機器人運動控制，尤其涉及基于延時觀測器的移動機械臂自適應固定時間運動控制方法。
技術介紹
1、融合感知、操作和移動等能力已經成為近年來機器人技術的研究熱點和發展方向，由操作臂和移動平臺組成的移動機械臂同時擁有靈活移動和靈巧操作能力，其逐漸被應用于工業、農業和服務等領域，具備廣闊的應用前景。但是移動平臺和操作臂之間的非線性強耦合復雜動力學因素直接影響移動機械臂的運動控制性能，如何開發高效先進的自主運動控制器仍然是展現其應用潛力的主要挑戰。移動機械臂在非結構化環境中執行任務時，未知負載和外界擾動也會使其動力學發生實時變化，因此對其運動控制方法展開設計研究具有重要的工程意義和實際價值。
2、目前已有許多先進控制方法用于解決機器人不確定動力學影響下的運動控制問題，比如自抗擾控制器、滑模魯棒控制器和神經網絡控制器等，但是這些控制方法大多數僅考慮運動誤差的一致性有界收斂區域，很少涉及對運動誤差收斂速度的分析設計。然而為了有效解決移動機械臂面臨的時變動力學和外界擾動等問題，運動控制器設計需要使其運動誤差快速收斂。終端滑模控制器等方法雖然可以實現運動控制器的有限時間收斂，即控制器穩定時間有界且依賴于設計參數和系統狀態初始條件，但這類方法不能直接應用于初始狀態難以直接獲得的復雜系統。此外，上述控制器大多數依賴于機器人系統的動力學模型或其學習逼近黑箱模型，所需的復雜計算負擔也將阻礙其在移動機械臂上的實施應用。為了提升控制器的抗干擾能力，基于擾動觀測器的控制方法也逐漸被應用于機器人復雜系統，但觀測器增益取值大多依賴于難以直接
技術實現思路
1、本專利技術目的在于提供基于延時觀測器的移動機械臂自適應固定時間運動控制方法，以解決上述的技術問題。
2、為解決上述技術問題，本專利技術的基于延時觀測器的移動機械臂自適應固定時間運動控制方法的具體技術方案如下：
3、一種基于延時觀測器的移動機械臂自適應固定時間運動控制方法，包括以下步驟：
4、步驟1：建立移動機械臂的等效動力學模型，設計延時觀測器實現廣義動力學不確定性的無模型估計補償，簡化控制算法計算量提升控制器執行效率；
5、步驟2：設計固定時間非奇異終端滑模控制器及其增益參數自適應律，實現移動機械臂運動誤差的固定時間收斂，使得控制器穩定時間僅由控制器設計參數確定，提升控制算法收斂速度且不依賴于系統狀態初始條件；
6、步驟3：通過lyapunov設計方法實現觀測-控制整個閉環系統的固定時間穩定性，消除對動力學不確定性上確界和延時觀測器上確界等先驗知識的依賴，提升移動機械臂運動控制的響應速度及精度。
7、進一步的，所述步驟1包括如下具體步驟：
8、步驟1.1：構建麥克納姆輪式移動機械臂的動力學方程；
9、步驟1.2：推導移動機械臂的等效動力學模型；
10、步驟1.3：設計移動機械臂廣義不確定動力學的延時觀測器。
11、進一步的，所述步驟1.1構建的麥克納姆輪式移動機械臂的動力學方程，如下：
12、
13、公式(1)中代表移動機械臂的廣義關節空間坐標，其中qb＝[x,y,φ]t和qb＝[θ1,…,θn]t分別表示移動平臺和機械臂的關節空間坐標；代表慣量矩陣，代表科氏力矩和離心力矩向量，代表重力矩向量，表示由摩擦、系統動力學不確定性和外界擾動造成未知力矩向量，是移動機械臂的關節驅動力矩，表示輸入轉換矩陣。
14、進一步的，所述步驟1.2推導移動機械臂的等效動力學模型如下：
15、
16、公式(2)中代表用戶自定義的正定對角慣量矩陣，τ＝e(q)τ*代表移動機械臂的等效輸入力矩，是移動機械臂的廣義不確定動力學。
17、進一步的，所述步驟1.3設計的移動機械臂廣義不確定動力學的延時觀測器如下：
18、
19、公式(3)中是的估計值，l代表延遲時間且常被設置為控制系統的采樣周期；該觀測器能使不確定動力學估計誤差收斂至有界區域，即存在一個常數使得不等式成立。
20、進一步的，所述步驟2包括如下具體步驟：
21、步驟2.1：設計固定時間非奇異終端滑模流形；
22、步驟2.2：設計移動機械臂的固定時間非奇異終端滑模控制器；
23、步驟2.3：設計控制器參數自適應律。
24、進一步的，所述步驟2.1設計的固定時間非奇異終端滑模流形如下：
25、
26、公式(4)中e＝q-qd代表移動機械臂的運動誤差，其中qd代表期望的運動軌跡；和代表對角正定增益矩陣，u1、v1、p1和q1是正奇數且滿足不等式1<p1/q1<2、u1/v1>p1/q1，
27、定義一個未知常數同時滿足
28、
29、公式(5)中是正定對角矩陣，代表矩陣的最小特征值。
30、進一步的，所述步驟2.2設計的移動機械臂的固定時間非奇異終端滑模控
31、制器，如下：
32、
33、進一步的，所述步驟2.3設計的控制器參數自適應律如下：
34、
35、公式(6)、(7)中τs和τr分別代表滑動控制律和接近控制律，和正定對角增益矩陣，u2、v2、p2和q2是正奇數且滿足不等式u2>v2、p2>q2；代表的估計值，σ0>0、σ1>0和σ2>0是控制器的常系數。
36、進一步的，所述步驟3包括如下具體步驟：
37、由公式(2)和公式(3)推導延時觀測器的動態方程，如下
38、
39、當控制器延遲時間l足夠小時，公式(8)中有界；
40、將帶入公式(8)，得
41、
42、公式(9)中和均有界；因此當自定義的慣量矩陣滿足時，公式(9)對應的等效微分方程的解將漸進收斂至有界區域，即不等式成立；
43、定義lyapunov函數為對其面向時間求一階微分得
44、
45、公式(10)中
46、
47、由此可知，非奇異終端滑模流形s將在固定時間t內收斂至有界區域，即
48、
49、公式(11)中是一個常數，且滿足
50、因此由公式(4)可知，移動機械臂的運動誤差e將在固定時間內收斂至有界區域，即控制器穩定時間僅有其設計參數確定，與系統狀態的初始條件無關，并且由證明過程可見整個觀測-控制系統穩定性不依賴于動力學不確定性上確界和延時觀測器上確界的先驗知識。
51、本專利技術的基于延時觀測器的移動機械臂自適應固定時間運動控制方法具有以下優點：本專利技術的移動機械臂自適應固定時間運動控制方法能夠實現其運動誤差的固定時間收斂，即控制器的穩定時間不受實際中難以獲得的系統初始狀態影響，也不依賴于系統本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種基于延時觀測器的移動機械臂自適應固定時間運動控制方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的基于延時觀測器的移動機械臂自適應固定時間運動控制方法，其特征在于，所述步驟1包括如下具體步驟：
3.根據權利要求2所述的基于延時觀測器的移動機械臂自適應固定時間運動控制方法，其特征在于，所述步驟1.1構建的麥克納姆輪式移動機械臂的動力學方程，如下：
4.根據權利要求3所述的基于延時觀測器的移動機械臂自適應固定時間運動控制方法，其特征在于，所述步驟1.2推導移動機械臂的等效動力學模型如下：
5.根據權利要求4所述的基于延時觀測器的移動機械臂自適應固定時間運動控制方法，其特征在于，所述步驟1.3設計的移動機械臂廣義不確定動力學的延時觀測器如下：
6.根據權利要求1所述的基于延時觀測器的移動機械臂自適應固定時間運動控制方法，其特征在于，所述步驟2包括如下具體步驟：
7.根據權利要求6所述的基于延時觀測器的移動機械臂自適應固定時間運動控制方法，其特征在于，所述步驟2.1設計的固定時間非奇異終端滑模流形如下
8.根據權利要求7所述的基于延時觀測器的移動機械臂自適應固定時間運動控制方法，其特征在于，所述步驟2.2設計的移動機械臂的固定時間非奇異終端滑模控制器，如下：
9.根據權利要求8所述的基于延時觀測器的移動機械臂自適應固定時間運動控制方法，其特征在于，所述步驟2.3設計的控制器參數自適應律如下：
10.根據權利要求5所述的基于延時觀測器的移動機械臂自適應固定時間運動控制方法，其特征在于，所述步驟3包括如下具體步驟：
...【技術特征摘要】
1.一種基于延時觀測器的移動機械臂自適應固定時間運動控制方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的基于延時觀測器的移動機械臂自適應固定時間運動控制方法，其特征在于，所述步驟1包括如下具體步驟：
3.根據權利要求2所述的基于延時觀測器的移動機械臂自適應固定時間運動控制方法，其特征在于，所述步驟1.1構建的麥克納姆輪式移動機械臂的動力學方程，如下：
4.根據權利要求3所述的基于延時觀測器的移動機械臂自適應固定時間運動控制方法，其特征在于，所述步驟1.2推導移動機械臂的等效動力學模型如下：
5.根據權利要求4所述的基于延時觀測器的移動機械臂自適應固定時間運動控制方法，其特征在于，所述步驟1.3設計的移動機械臂廣義不確定動力學的延時觀測器如下：
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【專利技術屬性】
技術研發人員：李小飛，王進，張仁戈，張海運，陸國棟，
申請(專利權)人：浙江大學，
類型：發明
國別省市：
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