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

1、機(jī)器人yoyo操作是一種具有挑戰(zhàn)性的、開環(huán)不穩(wěn)定的游戲，它需要靈敏的動態(tài)操作以保持穩(wěn)定。yoyo操作代表了一類非線性系統(tǒng)周期性運(yùn)動的動態(tài)控制問題，常規(guī)的開環(huán)和閉環(huán)控制理論都無法直接運(yùn)用。現(xiàn)有的動態(tài)操作設(shè)計方法都是專門針對個別特殊任務(wù)而提出的，尚未形成一種能夠同時解決以下兩個關(guān)鍵問題的完整統(tǒng)一的設(shè)計、分析方法，這兩個關(guān)鍵問題是：1)如何使反饋控制能夠兼容運(yùn)動協(xié)調(diào)和平衡補(bǔ)償兩種功能；2)如何達(dá)到快速實時地求解操作器參考運(yùn)動軌跡。因而需要有新

2、的設(shè)計和分析方法來進(jìn)行指導(dǎo)。
　　 本課題以yoyo問題為例，從動態(tài)操作的角度切入，對這一類非抓取型不穩(wěn)定周期性運(yùn)動的動態(tài)控制問題進(jìn)行研究。研究非抓取型的動態(tài)操作、開發(fā)先進(jìn)的動態(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。
　　 本文的主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面：
　　 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)的實時采集，然后利用圖像處理庫IPL(Intel Image Processing Library)進(jìn)行數(shù)字圖像的實時處理。通過獲得圖像的原點(diǎn)矩來計算yoyo的中心點(diǎn)坐標(biāo)值，然后通過坐標(biāo)變換計算出yoyo的實際中心點(diǎn)坐標(biāo)。另外還通過計算yoyo運(yùn)動曲線的斜率來檢測其峰值點(diǎn)，從而實現(xiàn)了每次實驗結(jié)束時可以即刻自動計算并顯示出yoyo的運(yùn)行次數(shù)。
　　 2)yoyo數(shù)學(xué)模型
　　 yoyo運(yùn)動的能量損

4、失主要是由yoyo到達(dá)底端時與細(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。通過使用一個當(dāng)量回歸效用來捕獲底端的動力學(xué)，從而將兩自由度模型簡化為單自由度模型，大大方便了對yoyo運(yùn)動的分析與控制。
　　 3)開關(guān)控制算法
　　 提出了一種根據(jù)yoyo狀態(tài)決定機(jī)器人動作時間的開關(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，就可以保證其不動點(diǎn)的穩(wěn)定性。用一臺韓國Robostar直角坐標(biāo)機(jī)器人實現(xiàn)了yoyo操作實時控制系統(tǒng)，成功地驗證了所提出控制算法的穩(wěn)定性、以及關(guān)于返回映射不動點(diǎn)的理論分析結(jié)果。
　　 4)yoyo運(yùn)動最優(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)到底端時機(jī)器臂的高度作為虛擬控制量。通過調(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)動不會超出其行程范圍。機(jī)器人的參考運(yùn)動軌跡是通過優(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)動仿真軌跡。
　　 5)基于B樣條函數(shù)的實時最優(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，來規(guī)劃這一類運(yùn)動控制問

7、題的思想。該方法完全不同于以往的基于經(jīng)驗的操作軌跡有限參數(shù)化的設(shè)計方法，而是采用了對象狀態(tài)有限參數(shù)化的思想，同時通過全新的算法(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))，巧妙地實現(xiàn)了這一類優(yōu)化問題的高速實時求解。通過對優(yōu)化問題的求解，可以同時得到操作器的參考運(yùn)動軌跡和返回映射的數(shù)值解。對于yoyo運(yùn)動的計算機(jī)仿真結(jié)果表明，每一個循環(huán)的計算時間可以控制在10毫秒左右。與其它延時相比，如圖像處理42