非抓取型不穩(wěn)定周期性動(dòng)態(tài)操作控制系統(tǒng)的研究--機(jī)器人yoyo運(yùn)動(dòng)控制.pdf

1、機(jī)器人yoyo操作是一種具有挑戰(zhàn)性的、開(kāi)環(huán)不穩(wěn)定的游戲，它需要靈敏的動(dòng)態(tài)操作以保持穩(wěn)定。yoyo操作代表了一類(lèi)非線性系統(tǒng)周期性運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)控制問(wèn)題，常規(guī)的開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制理論都無(wú)法直接運(yùn)用?，F(xiàn)有的動(dòng)態(tài)操作設(shè)計(jì)方法都是專(zhuān)門(mén)針對(duì)個(gè)別特殊任務(wù)而提出的，尚未形成一種能夠同時(shí)解決以下兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題的完整統(tǒng)一的設(shè)計(jì)、分析方法，這兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是：1)如何使反饋控制能夠兼容運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)和平衡補(bǔ)償兩種功能；2)如何達(dá)到快速實(shí)時(shí)地求解操作器參考運(yùn)動(dòng)軌跡。因而需要有新

2、的設(shè)計(jì)和分析方法來(lái)進(jìn)行指導(dǎo)。
　　 本課題以yoyo問(wèn)題為例，從動(dòng)態(tài)操作的角度切入，對(duì)這一類(lèi)非抓取型不穩(wěn)定周期性運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)控制問(wèn)題進(jìn)行研究。研究非抓取型的動(dòng)態(tài)操作、開(kāi)發(fā)先進(jìn)的動(dòng)態(tài)操作控制軟件，可以在不增加機(jī)器人硬件機(jī)構(gòu)復(fù)雜性的前提下，進(jìn)一步提高機(jī)器人的智能性和技巧性，拓寬其應(yīng)用范圍。
　　 本文的主要研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面：
　　 1)數(shù)字圖像采集與處理算法
　　 利用VFW(Video for Win

3、dows)技術(shù)進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，然后利用圖像處理庫(kù)IPL(Intel Image Processing Library)進(jìn)行數(shù)字圖像的實(shí)時(shí)處理。通過(guò)獲得圖像的原點(diǎn)矩來(lái)計(jì)算yoyo的中心點(diǎn)坐標(biāo)值，然后通過(guò)坐標(biāo)變換計(jì)算出yoyo的實(shí)際中心點(diǎn)坐標(biāo)。另外還通過(guò)計(jì)算yoyo運(yùn)動(dòng)曲線的斜率來(lái)檢測(cè)其峰值點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)可以即刻自動(dòng)計(jì)算并顯示出yoyo的運(yùn)行次數(shù)。
　　 2)yoyo數(shù)學(xué)模型
　　 yoyo運(yùn)動(dòng)的能量損

4、失主要是由yoyo到達(dá)底端時(shí)與細(xì)繩末端發(fā)生的一系列碰撞和沖擊所引起的，而并非主要由摩擦引起。通過(guò)使用一個(gè)當(dāng)量回歸效用來(lái)捕獲底端的動(dòng)力學(xué)，從而將兩自由度模型簡(jiǎn)化為單自由度模型，大大方便了對(duì)yoyo運(yùn)動(dòng)的分析與控制。
　　 3)開(kāi)關(guān)控制算法
　　 提出了一種根據(jù)yoyo狀態(tài)決定機(jī)器人動(dòng)作時(shí)間的開(kāi)關(guān)控制策略，并分析了和原連續(xù)系統(tǒng)相關(guān)的離散返回映射(即龐加萊映射)及其不動(dòng)點(diǎn)的穩(wěn)定性。理論分析表明，只要保證加速度大小的控制參數(shù)維持

5、在一定水平之上，就可以保證其不動(dòng)點(diǎn)的穩(wěn)定性。用一臺(tái)韓國(guó)Robostar直角坐標(biāo)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了yoyo操作實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，成功地驗(yàn)證了所提出控制算法的穩(wěn)定性、以及關(guān)于返回映射不動(dòng)點(diǎn)的理論分析結(jié)果。
　　 4)yoyo運(yùn)動(dòng)最優(yōu)控制的解析解
　　 基于非線性最優(yōu)控制理論提出了一種通用的生成yoyo操作參考軌跡的方法。對(duì)yoyo操作進(jìn)行了數(shù)學(xué)表達(dá)和約束描述。把yoyo達(dá)到底端時(shí)機(jī)器臂的高度作為虛擬控制量。通過(guò)調(diào)整該虛擬控制量，yoy

6、o的初始幅值就可以被映射到期望的最終幅值。這保證了機(jī)器人機(jī)器臂的運(yùn)動(dòng)不會(huì)超出其行程范圍。機(jī)器人的參考運(yùn)動(dòng)軌跡是通過(guò)優(yōu)化某一性能指數(shù)而得到的，這與傳統(tǒng)的控制方法有著本質(zhì)區(qū)別，在傳統(tǒng)方法中參考軌跡都是憑經(jīng)驗(yàn)強(qiáng)加給機(jī)器人的。另外還分別給出了PI控制和最小拍控制策略下的yoyo運(yùn)動(dòng)仿真軌跡。
　　 5)基于B樣條函數(shù)的實(shí)時(shí)最優(yōu)軌跡的數(shù)值解法
　　 提出了一種全新的基于非線性最優(yōu)控制外加返回映射參數(shù)化的方法，來(lái)規(guī)劃這一類(lèi)運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)

7、題的思想。該方法完全不同于以往的基于經(jīng)驗(yàn)的操作軌跡有限參數(shù)化的設(shè)計(jì)方法，而是采用了對(duì)象狀態(tài)有限參數(shù)化的思想，同時(shí)通過(guò)全新的算法(非線性最優(yōu)軌跡規(guī)劃NOTP算法)外加一定的軟件技術(shù)(包括混合編程及多線程編程技術(shù))，巧妙地實(shí)現(xiàn)了這一類(lèi)優(yōu)化問(wèn)題的高速實(shí)時(shí)求解。通過(guò)對(duì)優(yōu)化問(wèn)題的求解，可以同時(shí)得到操作器的參考運(yùn)動(dòng)軌跡和返回映射的數(shù)值解。對(duì)于yoyo運(yùn)動(dòng)的計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果表明，每一個(gè)循環(huán)的計(jì)算時(shí)間可以控制在10毫秒左右。與其它延時(shí)相比，如圖像處理42