【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種基于改進超扭擴張狀態觀測器的機械臂規定性能高精度軌跡控制方法，屬于機械臂軌跡跟蹤。
技術介紹
1、機械臂當今已經廣泛應用于工業、醫療、航空等各個領域。然而，機械臂本身具有強耦合、非線性、部分內部參數不確定等特性，在運行時還會受到時變擾動、突變擾動等外部擾動的影響，這些問題都會影響到機械臂的控制速度與精度。因此，如何在這些問題的影響下實現機械臂系統的快速、高精度軌跡跟蹤控制仍然是一個巨大的挑戰。許多學者提出并改進了各種先進的控制方法來達到預期的控制效果，比如模糊控制、自抗擾控制、自適應控制、模型預測控制、滑模控制等。其中，滑模控制由于其自身所具有的魯棒性且實現簡單，為機器人軌跡跟蹤控制提供了一種高質量的控制方案。
2、滑模控制的設計包括滑模面設計和趨近律設計。傳統的線性滑模控制具有收斂時間不確定的問題，因此，學者們提出了終端滑模控制，可以在有限時間內達到系統穩定。進一步，針對終端滑模控制經常存在潛在的奇異問題，專利申請cn117506908a針對機械臂軌跡控制公開了一種非奇異終端滑模控制方案，通過合理地調節滑模面的狀態變量來避免潛在的奇異性，但是當系統收斂到平衡點附近時，他的收斂速度會變慢。針對非奇異終端滑模控制所存在的缺陷，專利申請cn117762020a公開了一種快速非奇異終端滑模控制方案，增強了跟蹤誤差收斂的快速性和控制精度。另外，為了解決在設計滑模面中出現的抖振問題，專利申請cn117826589a公開了一種改進的積分快速非奇異終端滑模控制方案，通過采用飽和函數作為切換函數，保證設計的控制律是
3、上述控制方法能夠提高機器人系統的性能，但仍然不可避免地會受到其內部參數不確定和外部未知擾動的影響。為了處理這些未知參數，學者們提出了各種各樣的擾動補償策略，其中，基于觀測器的補償策略被廣泛應用。專利申請cn113359447a中設計了一種擴張狀態觀測器對多源擾動進行漸進估計。專利申請cn117970794a中設計了一種非線性擾動觀測器來實現對系統外部擾動以及不確定項的估計。然而，以上觀測器對快速時變擾動的抑制能力有所欠缺，因此對于估計時變擾動和突變擾動的觀測器的設計也尤為重要。
技術實現思路
1、本專利技術提供了一種基于改進超扭擴張狀態觀測器的機械臂規定性能高精度軌跡控制方法，通過將擾動觀測器、新型滑模面和誤差轉換相結合，能夠在保證系統快速收斂的同時有效地抑制系統的抖振并且具有優越的抗擾性能。
2、本專利技術的技術方案是：
3、一種基于改進超扭擴張狀態觀測器的機械臂規定性能高精度軌跡控制方法，包括以下步驟：
4、s1、建立n關節機械臂的動力學模型；將n關節機械臂的動力學模型重新描述為基于總擾動的機械臂的動力學模型；
5、s2、設計改進的超扭擴張狀態觀測器對基于總擾動的機械臂的動力學模型中的總擾動進行估計；
6、s3、依據等效控制律、切換控制律、總擾動估計值構建基于漏斗誤差變換的遞歸積分滑模控制器，實現對機械臂的軌跡跟蹤。
7、進一步地，所述基于總擾動的機械臂的動力學模型，表達式為：
8、
9、其中，m0(q)、g0(q)分別為m(q)、g(q)的確定部分；m(q)為正定的質量慣性矩陣，為哥氏力和離心力矩陣，g(q)表示重力矩陣；τ為控制輸入力矩；d為總擾動；q、和分別表示機械臂的位置、速度和加速度矢量。
10、進一步地，所述s2，具體包括：
11、將基于總擾動的機械臂的動力學模型進行變換，獲得變換后的基于總擾動的機械臂的動力學模型；
12、通過引入廣義動量p來改變變換后的基于總擾動的機械臂的動力學模型，獲得含有廣義動量的機械臂動力學模型；
13、對含有廣義動量的機械臂動力學模型引入中間變量τp，得到變換后的含有廣義動量的機械臂動力學模型；
14、依據變換后的含有廣義動量的機械臂動力學模型設計改進的超扭擴張狀態觀測器，以獲得廣義動量、總擾動的估計值。
15、進一步地，定義為廣義動量p的估計值，為總擾動d的估計值，則改進的超扭擴張狀態觀測器設計為：
16、
17、其中，分別為的一階導；ω1＝2ω0和ω2＝ω02為待設計的參數，ω0為超扭擴張狀態觀測器的帶寬；m0(q)為m(q)的確定部分，m(q)為正定的質量慣性矩陣，q表示機械臂的位置；為p的估計誤差，非線性項設計為：
18、
19、其中，
20、進一步地，所述s3具體包括：定義位置跟蹤誤差及跟蹤誤差約束條件；構造一個變換函數；依據變換函數及跟蹤誤差約束條件，定義性能漏斗邊界；基于位置跟蹤誤差及性能漏斗邊界構造非光滑漏斗誤差變換；依據非光滑漏斗誤差變換，定義非奇異終端滑模函數；基于非奇異終端滑模函數，提出一個遞歸積分滑模面；令遞歸積分滑模面的一階導為零，得到在不含總擾動的情況下的等效控制律；設計切換控制律；依據等效控制律、切換控制律、總擾動估計值構建基于漏斗誤差變換的遞歸積分滑模控制器。
21、進一步地，所述非光滑漏斗誤差變換z(t)具體為：
22、
23、其中，k(t)為性能漏斗邊界；e(t)為位置跟蹤誤差。
24、進一步地，令遞歸積分滑模面的一階導為零，得到在不含總擾動的情況下的等效控制律ueq為：
25、
26、設計切換控制律usw為：
27、usw＝-m0(q)λ-1[k4s+k5sigγ(s)]
28、其中，m0(q)、g0(q)分別為m(q)、g(q)確定部分；m(q)為正定的質量慣性矩陣，為哥氏力和離心力矩陣，g(q)表示重力矩陣；q、和分別表示機械臂的位置、速度和加速度矢量；qd為期望位置；為qd的二階導；為φ的一階導，k(t)為性能漏斗邊界，為k(t)的一階導；e為位置跟蹤誤差，為e的一階導；α∈(0.5，1)；k1、k2、k3、k4、k5為正定對角矩陣；z為非光滑漏斗誤差變換；s為遞歸積分滑模面；σi為中間變量；0＜γ＜1，β＞1。
29、進一步地，所述基于漏斗誤差變換的遞歸積分滑模控制器u設計為：
30、
31、式中，ueq為等效控制律；usw為切換控制律；為總擾動d的估計值。
32、本專利技術的有益效果是：
33、針對多自由度串聯機械臂系統，本專利技術設計了一種基于改進超扭擴張狀態觀測器的機械臂規定性能高精度軌跡控制方法，該方法基于超扭技術和機器人動力學思想設計了一種超扭擴張狀態觀測器來估計由外部擾動和內部不確定參數所組成的總擾動，所設計的觀測器僅有一個可調節參數；提出的非光滑漏斗誤差變換能夠使跟蹤誤差被約束在預先設計好的范圍內；通過仿真也進一步說明本專利技術提出的基于新型超扭擴張狀態觀測器和遞歸終端滑模面的規定性能控制方法能夠有效地減少系統的收斂時間和穩態誤差，并有效地抑制了抖振現象，在保證了收斂速度和控本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種基于改進超扭擴張狀態觀測器的機械臂規定性能高精度軌跡控制方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的基于改進超扭擴張狀態觀測器的機械臂規定性能高精度軌跡控制方法，其特征在于，所述基于總擾動的機械臂的動力學模型，表達式為：
3.根據權利要求1所述的基于改進超扭擴張狀態觀測器的機械臂規定性能高精度軌跡控制方法，其特征在于，所述S2，具體包括：
4.根據權利要求3所述的基于改進超扭擴張狀態觀測器的機械臂規定性能高精度軌跡控制方法，其特征在于，定義為廣義動量p的估計值，為總擾動d的估計值，則改進的超扭擴張狀態觀測器設計為：
5.根據權利要求1所述的基于改進超扭擴張狀態觀測器的機械臂規定性能高精度軌跡控制方法，其特征在于，所述S3具體包括：
6.根據權利要求5所述的基于改進超扭擴張狀態觀測器的機械臂規定性能高精度軌跡控制方法，其特征在于，所述非光滑漏斗誤差變換z(t)具體為：
7.根據權利要求5所述的基于改進超扭擴張狀態觀測器的機械臂規定性能高精度軌跡控制方法，其特征在于，令遞歸積分滑模面的一階導
8.根據權利要求5所述的基于改進超扭擴張狀態觀測器的機械臂規定性能高精度軌跡控制方法，其特征在于，所述基于漏斗誤差變換的遞歸積分滑模控制器u設計為：
...【技術特征摘要】
1.一種基于改進超扭擴張狀態觀測器的機械臂規定性能高精度軌跡控制方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的基于改進超扭擴張狀態觀測器的機械臂規定性能高精度軌跡控制方法，其特征在于，所述基于總擾動的機械臂的動力學模型，表達式為：
3.根據權利要求1所述的基于改進超扭擴張狀態觀測器的機械臂規定性能高精度軌跡控制方法，其特征在于，所述s2，具體包括：
4.根據權利要求3所述的基于改進超扭擴張狀態觀測器的機械臂規定性能高精度軌跡控制方法，其特征在于，定義為廣義動量p的估計值，為總擾動d的估計值，則改進的超扭擴張狀態觀測器設計為：
5.根據權利...
【專利技術屬性】
技術研發人員：王樹波，代庚煒，那靖，高貫斌，黃英博，何浩然，
申請(專利權)人：昆明理工大學，
類型：發明
國別省市：
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