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7 篇 北京理工大学
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典型随机不确定环境下双足机器人的运动稳定性控制

典型随机不确定环境下双足机器人的运动稳定性控制

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第十五届全国非线性振动暨第十二届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议

作者：丁长涛杨世锡甘春标浙江大学机械工程学院现代制造工程研究所

双足机器人是一个具有多自由度、强耦合的强非线性动力系统,源于其内部参数和外界环境等方面的不确定因素将导致其运动的不确定性。为了实现机器人预定的行走步态,通常采用反馈控制的方法对其进行调节并不断向稳定状态逼近,其中控制方... 详细信息

双足机器人是一个具有多自由度、强耦合的强非线性动力系统,源于其内部参数和外界环境等方面的不确定因素将导致其运动的不确定性。为了实现机器人预定的行走步态,通常采用反馈控制的方法对其进行调节并不断向稳定状态逼近,其中控制方法和控制策略直接关系到机器人能否实时稳定、快速、准确地对不确定性随机信息进行处理以及对机器人的姿态进行调整,并最终决定机器人的运动稳定性。本报告基于理想环境下平面双足机器人的预规划稳定步态,(1)通过随机调整系统某些参数(包括初始状态参数和控制参数),应用Bhat-Bernstein反馈控制方法并通过设置相应的目标函数约束机器人的位姿对其步态进行调节;(2)通过附加驱动力矩的三种不同扰动(包括脉冲扰动、周期扰动及随机扰动),基于多虚拟驱动的概念提出了一种改进的自适应B-B反馈控制方法,以有效实现对系统运动的稳定性控制;(3)对于三种不同的路面(包括向上的台阶、向下的台阶及高度随机变化的台阶),发展了一种控制策略对机器人躯干位姿进行调整,以实现机器人在上述台阶路面上的稳定行走。仿真结果发现,支撑腿与纵坐标的夹角及两个控制参数的变化均会改变机器人在稳定或不稳定状态时与地面的碰撞时间间隔,但支撑腿角速度的变化不会影响机器人稳定时与地面的碰撞时间间隔;尽管渐进式的Bhat-Bernstein反馈控制随着时间的延长可以逐渐消除上述三种驱动力矩的扰动对机器人的影响,但改进的自适应B-B反馈控制方法可快速消除扰动对系统运动稳定性的影响;此外,根据路况的变化及时采用相关控制策略调整机器人的位姿,即使躯干前倾或后仰,也可以实现机器人在上述三种路面上的稳定行走。

关键词：双足机器人随机不确定性 Bhat-Bernstein反馈控制庞卡莱映射运动稳定性

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界面响应不可测时产品运输系统动态响应逆向子结构分析的虚拟质量法

界面响应不可测时产品运输系统动态响应逆向子结构分析的虚拟质量...

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第十五届全国非线性振动暨第十二届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议

作者：王启利王军卢立新陈安军江南大学机械工程学院江苏省食品先进制造装备技术重点实验室

逆子结构方法在预测关键部件-产品-运载体复杂耦合工况下其关键部件的频响函数方面具有很好的应用效果,提供了一种预测和评价产品包装系统在运输工况下缓冲包装效果的方法,为缓冲包装设计人员提供了理论依据和信息来源。关键部件与产品... 详细信息

逆子结构方法在预测关键部件-产品-运载体复杂耦合工况下其关键部件的频响函数方面具有很好的应用效果,提供了一种预测和评价产品包装系统在运输工况下缓冲包装效果的方法,为缓冲包装设计人员提供了理论依据和信息来源。关键部件与产品连接方式多为刚性耦合连接,且多为不可拆分结构。由于耦合界面物理空间的限制,以及关键部件一般极其脆弱,无法进行激励。这样就导致该耦合界面处的自激励频率响应响函数(FRF)难以实测,测量信息不完备。而逆子结构方法是基于完备的系统FRF的,提出一种利用虚拟质量法来预测非激励点处的原点FRF。该方法通过在非激励点处施加一个虚拟质量点和一个加速度传感器,分别测得在施加虚拟质量点和不施加虚拟质量点俩种情形下的各激励点激励非激励点响应下的FRF。将该虚拟质量惯性力等效为外界力对该逆子结构系统的作用,最终通过预测公式得到一组该刚性耦合界面处的原点FRF。通过极大似然估计这一统计学方法,可以提高该非激励点原点FRF预测精度。最后,对该方法得到的预测FRF与实验实测得到的FRF进行比较,表明该方法具有较高的精度。并将利用极大似然估计法预测得到的耦合界面处FRF与利用算术平均值预测得到的耦合界面处FRF进行比较,表明,极大似然估计法更加接近精确值。

关键词：逆子结构 FRF 虚拟质量极大似然估计

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胞体树突间耦合对CA1锥体神经元放电节律的影响

胞体树突间耦合对CA1锥体神经元放电节律的影响

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第十五届全国非线性振动暨第十二届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议

作者：李琴刘深泉华南理工大学数学学院

海马CA1锥体神经元在低钙溶液中会自发地周期性放电。本文应用神经元房室模型,在前人研究的基础上构造了一个由4个房室组成的CA1锥体神经元房室模型,来数值研究低钙溶液中CA1锥体神经元的放电波形特点。在神经元房室模型中,树突的拓扑... 详细信息

海马CA1锥体神经元在低钙溶液中会自发地周期性放电。本文应用神经元房室模型,在前人研究的基础上构造了一个由4个房室组成的CA1锥体神经元房室模型,来数值研究低钙溶液中CA1锥体神经元的放电波形特点。在神经元房室模型中,树突的拓扑形态会影响其与胞体之间的耦合强度,由于海马锥体神经元树突繁多,且大小粗细不同,因此它们与胞体的耦合强度也是不同的。本文着重考虑由3个树突房室和1个胞体房室构成的4房室神经元模型。固定树突房室2、4和胞体房室3之间的耦合强度,着重增加了树突房室1与胞体房室3的耦合,通过给出一定的耦合强度,研究了参数改变时对CA1锥体神经元放电节律的影响。经过研究,得出了几个结论,第一,当给定1与3之间的耦合强度为0.002时,放电波形对大部分参数非常敏感,微小的改变也能导致放电波形的明显变化。第二,当给定刺激电流为0时,通过改变参数,也可以得到放电波形较丰富的变化。第三,当给定1与3之间的耦合强度为负的0.024时,放电波形对大部分参数不敏感,但是当刺激电流改变时,表现出较丰富的放电形态。第四,对给定的两个耦合强度,对于某些参数的改变,神经元会出现开始一段时间簇发放,然后静息一小段时间,再开始簇发放或峰发放的现象。第五,许多簇发放中,一簇中会出现峰值大小不一,并且波谷伴随着振荡的现象。

关键词： CA1锥体神经元四房室神经元耦合强度振荡

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刚度退化强非线性系统的瞬态响应和减震控制研究

刚度退化强非线性系统的瞬态响应和减震控制研究

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第十五届全国非线性振动暨第十二届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议

作者：陈洋洋刘博陈树辉周福霖广州大学减震控制与结构安全国家重点实验室(培育) 中山大学应用力学与工程系

描述工程结构瞬时强震响应的动力学系统研究一般存在如下复杂性。1.时变强非线性:恢复力矩阵存在刚度退化和滞后的时变特性,在工程感兴趣的时程响应峰值阶段线性恢复力甚至不起主要作用。2.非平稳特性:强震下,多自由度体系所受的激励和... 详细信息

描述工程结构瞬时强震响应的动力学系统研究一般存在如下复杂性。1.时变强非线性:恢复力矩阵存在刚度退化和滞后的时变特性,在工程感兴趣的时程响应峰值阶段线性恢复力甚至不起主要作用。2.非平稳特性:强震下,多自由度体系所受的激励和感兴趣的时程响应皆是瞬态的,具有强烈非平稳特性。3.系统参数信息不完备性:工程实际往往仅测得其中少数甚至单个自由度上的响应信息,使得动力学系统参数并不确定。我们针对以上难点进行了动力学正、反分析理论研究,提出了适合这类系统的定量分析方法和相应的隔震控制策略,并以此为基础,从工程实际出发实施了系列结构动力试验分析。工作主要包括以下两方面。理论分析方法研究:建立了三线性刚度退化动力学系统,发展了弧长增量法来识别追踪强震时程激励下强非线性时变刚度系统的瞬态动力响应计算,建立系统正分析的时域算法。发展了基于少量测点信息的时域响应灵敏度分析的非线性系统反分析算法,利用迭代线性化反演方法成功进行了系统动参数识别。在此基础上以动力系统位移响应为目标进行隔震控制策略的设计和优化试验研究:针对我国广大村镇地区最典型的砖混结构形式设计了两栋三层砖混结构1:4模型进行模拟地震振动台系列试验,分别进行了从七度小震到八度大震不同地震波激励下的结构响应试验,与理论研究的动力学系统分析进行对比,应用提出的反分析算法对系统参数进行识别,进一步得到描述该类结构的完备的动力学系统。由此设计了基于摩擦机理的隔震层,将动力响应大幅度降低,对隔震结构模型也进行了系列试验并识别了摩擦隔震层模型的动参数,获得完备的隔震结构动力学系统。最后介绍了以此研究为基础在实际工程中实施的若干设计和监测技术应用。

关键词：强非线性系统刚度退化正反定量分析模拟地震振动台实验

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非完整轮式移动机器人轨迹运动控制

非完整轮式移动机器人轨迹运动控制

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第十五届全国非线性振动暨第十二届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议

作者：周宇生王在华南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室

轮式移动机器人是一种典型的非完整系统,其运动控制问题具有重要的理论价值和实际意义。考虑车轮不打滑不侧滑,则机器人在平面上的运动受到非完整约束。在该非完整约束下,根据左右两轮在任意时刻的转速,可以确定移动机器人中心在该时刻... 详细信息

轮式移动机器人是一种典型的非完整系统,其运动控制问题具有重要的理论价值和实际意义。考虑车轮不打滑不侧滑,则机器人在平面上的运动受到非完整约束。在该非完整约束下,根据左右两轮在任意时刻的转速,可以确定移动机器人中心在该时刻运动曲线的曲率半径,从而对于任意给定的两轮转速,可以计算出机器人中心在平面上运动曲线的相对曲率。将相对曲率的表达式转换成以弧长为参数的表达式后,根据平面曲线基本定理,可以证明该相对曲率唯一确定平面上的一条曲线,该曲线就是移动机器人的运动轨迹。反过来,对于平面上任意给定的一条以时间为参数的轨迹曲线,可以计算出要使移动机器人实现该轨迹运动所需要的两轮转速表达式。为了通过控制两轮力矩来实现任意给定的运动轨迹,必须计算出轮式移动机器人的动力学方程,将移动机器人的运动控制问题转化为轨迹跟踪问题来解决。首先,利用给定运动轨迹和两轮转速的关系和非完整约束方程,可以求出在实现该运动轨迹下移动机器人的前向速度和偏航转速大小,从而可以将原运动控制问题转化为轨迹跟踪问题,跟踪目标即为所需的移动机器人前向速度和偏航转速。在忽略两轮转动惯量的近似下,该轨迹跟踪问题是一个简单的线性系统轨迹跟踪控制问题,可以将其转化成具有已知扰动的线性系统的镇定问题。为了使得跟踪效果足够精确,我们引入合适的线性二次型性能指标,设计最优轨迹跟踪控制器来实现原运动轨迹任务。

关键词：轮式移动机器人非完整约束轨迹跟踪平面曲线相对曲率最优控制

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基座弹性影响下柔性关节空间机械臂模糊回归神经网络控制及弹性振动主动抑制

基座弹性影响下柔性关节空间机械臂模糊回归神经网络控制及弹性振...

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第十五届全国非线性振动暨第十二届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议

作者：梁捷陈力梁频福州大学机械工程及自动化学院中国空气动力研究与发展中心电子科技大学航空航天学院

随着人类科学技术的发展,太空资源倍受世界各国关注。由于太空环境十分恶劣,空间机器人替代或者辅助宇航员完成太空作业显得尤为重要。为了扩大机械臂的工作范围,将空间机械臂安装在移动基座上,移动基座可以沿着由桁架组装而成的导轨移... 详细信息

随着人类科学技术的发展,太空资源倍受世界各国关注。由于太空环境十分恶劣,空间机器人替代或者辅助宇航员完成太空作业显得尤为重要。为了扩大机械臂的工作范围,将空间机械臂安装在移动基座上,移动基座可以沿着由桁架组装而成的导轨移动。由于机械臂和负载的质量通常都很大,再加上机械臂与载体的强耦合作用,必然导致导轨振动,这种振动在太空无阻尼环境下将难以自动衰减。基座弹性振动对机械臂末端轨迹跟踪精度造成了不可忽视的影响,同时也对机械臂载体其他部件的正常运行造成了一定的影响。基于上述背景,本文重点针对基座弹性影响下的柔性关节空间机械臂控制方案进行研究。文中的控制器设计的目标是:存在参数不确定、外部扰动的情况下,通过合理的设计控制力矩以实现载体姿态及关节角的协调运动控制,同时主动地抑制柔性关节与弹性基座的弹性振动。基于此,依据线动量、角动量守恒关系并基于拉格朗日方程、线性扭转弹簧及假设模态法推导了系统动力学模型。以此为基础,依据级联控制法,将柔性关节空间机械臂视为基座弹性影响下的刚性臂子系统和电机转子子系统组成的级联系统。针对电机转子子系统,设计了力矩微分反馈控制器来抑制关节柔性引起的系统弹性振动;针对基座弹性影响下的刚性臂子系统,提出了一种基于虚拟力概念的模糊回归神经网络控制方案,由于运用了虚拟力的概念,从而通过仅设计一个控制输入就可达到既跟踪期望轨迹又抑制弹性基座的弹性振动的控制目标。计算机数值仿真对比实验证实了该方法的可靠性和有效性。

关键词：弹性基座柔性关节虚拟控制力级联控制模糊回归神经网络

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基于ZMP的双足机器人步态规划

基于ZMP的双足机器人步态规划

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第十五届全国非线性振动暨第十二届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议

作者：曾桂容甘春标杨世锡浙江大学机械工程学院现代制造工程研究所

双足机器人采用单、双足交替支撑的运动方式,拥有较好的灵活性及地面环境适应能力,具有轮式和履带式机器人无法比拟的优点,已成为智能机器人研究领域中最具代表性的课题之一。双足机器人是一个多自由度混杂动力学系统,步态规划是双足机... 详细信息

双足机器人采用单、双足交替支撑的运动方式,拥有较好的灵活性及地面环境适应能力,具有轮式和履带式机器人无法比拟的优点,已成为智能机器人研究领域中最具代表性的课题之一。双足机器人是一个多自由度混杂动力学系统,步态规划是双足机器人研究的关键技术之一,步态的好坏将直接影响机器人步行的稳定性、各关节的驱动力矩的大小以及步态美观性等多个方面。几何约束法是使用最为广泛的步态规划算法,它的核心思想是根据关键时刻主要节点的位姿规划整个步态周期各关节的运动轨迹,在满足几何约束条件下,将ZMP的位置限制在稳定区域内,实现机器人动态步行。目前的步态规划都在指定机器人摆动脚落脚点位置的基础上假设机器人行走过程中速度和步长恒定不变,但是人体在行走过程中,行走的速度和步长时刻发生改变,并且摆动脚的落脚点具有一定的范围。基于此,本报告规划了双足机器人动态行走过程中速度和步长随时间改变的三维步态,并且对双足机器人落脚点的稳定范围进行了研究。本报告主要由两部分构成:(1)建立具有十二自由度的双足机器人前向和侧向运动的解耦连杆模型,基于此连杆模型,通过腿部各关节的几何关系推导出了双足机器人的运动学和动力学模型。(2)采用多样条函数插值方法规划了双足机器人步行过程中速度和步长随时间变化的步态,并基于ZMP稳定判据研究了该步态中摆动脚落脚点的稳定范围,采用MATLAB对该步态进行了数值仿真,并且用ADAMS进行了动力学仿真。仿真结果表明所设计的步态具有较大的ZMP稳定裕度,而且步态中各关节的位置、角度、角速度和角加速度等轨迹连续、平滑,使机器人实现了稳定自然的动态步行,并且确定了摆动脚落脚点的稳定范围。

关键词：双足机器人步态规划运动学模型动力学模型 ZMP

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高超声速飞行器再入段控制律设计

高超声速飞行器再入段控制律设计

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第十五届全国非线性振动暨第十二届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议

作者：梁捷陈力梁频福州大学机械工程及自动化学院中国空气动力研究与发展中心电子科技大学航空航天学院

高超声速飞行器一般是指当地马赫数大于5的飞行器,它对军事领域及航空航天领域有着巨大的影响,已被国内外学者广泛关注。通常将高超声速飞行器的飞行分成六个阶段:上升段、在轨段、过渡段、再入段、末端能量管理段及着陆段。其中,再入... 详细信息

高超声速飞行器一般是指当地马赫数大于5的飞行器,它对军事领域及航空航天领域有着巨大的影响,已被国内外学者广泛关注。通常将高超声速飞行器的飞行分成六个阶段:上升段、在轨段、过渡段、再入段、末端能量管理段及着陆段。其中,再入段是指从再入点到末端能量管理段起点的飞行阶段,利用大气层使飞行器在再入过程中消耗能量、减速下降。再入控制需要采用气动舵面和反作用力控制系统进行联合控制。而在再入初期,由于大气稀薄,气动舵面效率非常低,主要由反作用力控制系统(RCS)单独进行控制。然而由于高马赫数、宽飞行包线、气动特性的剧烈变化等情况,造成高超声速再入姿态控制系统存在快时变、强非线性耦合性、多约束、不确定性、多干扰、高实时性等特性,因此控制方案设计就要求具有很好的自适应性和鲁棒性。本文研究高超声速飞行器再入时的姿态控制问题,对考虑地球自转、高超声速飞行器六自由度再入动力学模型,设计了一种基于时间延迟补偿的滑模控制律以实现高超声速飞行器的姿态角轨迹跟踪。所提的控制方案利用飞行器已监测到的状态信息,实时在线估计系统的不确定项、未建模动态、外界干扰等,具有不依赖于系统模型、强鲁棒性的优点。通过开启和关闭时延估计项的计算机数值仿真对比实验可以看出,时延估计项能够有效的估计系统不确定项,控制系统具有良好的跟踪性能,调整时间短,而且超调量很小,跟踪精度较高。证实了该方法的可靠性和有效性。

关键词：高超声速飞行器时间延迟补偿地球自转姿态控制滑模

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基于概率-模糊-区间不确定量的结构混合可靠度泛灰求解方法

基于概率-模糊-区间不确定量的结构混合可靠度泛灰求解方法

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第十五届全国非线性振动暨第十二届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议

作者：陈小月卿启湘刘杰文桂林湖南大学先进车身设计与制造国家重点实验室湖南大学特种装备设计与仿真研究所

对于工程机械设计中样本信息充足,随机不确定性概率密度分布已知,且先验信息丰富,模糊不确定性隶属度函数已知,则可通过等熵原则将模糊不确定性量转化为概率变量。然而,实际工程结构设计过程中,试验数据的匮乏或者得到更多试验数据代价... 详细信息

对于工程机械设计中样本信息充足,随机不确定性概率密度分布已知,且先验信息丰富,模糊不确定性隶属度函数已知,则可通过等熵原则将模糊不确定性量转化为概率变量。然而,实际工程结构设计过程中,试验数据的匮乏或者得到更多试验数据代价过于昂贵,不确定变量需要利用区间进行度量,只需确定不确定变量的上下边界,并不需要知道其在区间内的精确分布形式。基于泛灰数学理论,本文提出一种新的针对结构混合可靠性的高效求解方法。所述方法可处理机械系统结构同时存在概率、模糊和区间三种不确定性的变量的复杂可靠性问题。首先基于等熵转化,建立模糊熵转化为等效随机熵变换式,继而得到由模糊不确定变量转化而来的等效概率不确定量;然后利用"3σ准则"将等效概率不确定变量和概率不确定均转化为不确定但有界的区间变量,且不考虑变量的分布形式。结构混合可靠性求解问题就变成了只存在区间变量的非概率可靠性求解问题,大大减小了问题的复杂程度。由区间数学理论可知,区间运算会存在区间扩张问题,特别是在区间非线性运算中。区间扩张问题会导致结构非概率可靠性计算结果过于保守,限制了其工程应用前景。泛灰数具有区间分析的功能,而且还可以有效地避免区间计算扩张的缺陷。将区间变量转化为泛灰数,可以有效的解决区间扩张问题。基于此,本文利用泛灰数求解基于区间的结构非概率可靠性问题,可以得到更精确的结构可靠性结果。算例表明了本文方法的实用性和有效性。本论文研究方法可以应用于实际复杂非线性机械系统的结构可靠性分析,一定程度上可以得到经济可靠的工程机械产品。

关键词：不确定性混合可靠性泛灰数学 3σ准则等熵转化

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基于动态逆反馈的高超声速飞行器动力学建模及非线性控制方法研究

基于动态逆反馈的高超声速飞行器动力学建模及非线性控制方法研究

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第十五届全国非线性振动暨第十二届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议

作者：梁捷陈力梁频福州大学机械工程及自动化学院中国空气动力研究与发展中心电子科技大学航空航天学院

所谓的高超声速飞行,是指飞行器飞行的马赫数(飞行速度与飞行器所在位置的声速之比)等于或大于5的飞行,包括火箭高超声速系统和吸气式高超声速系统两个方面。高超声速飞行器技术作为航空航天技术的结合点,涉及到许多学科的关键技术如推... 详细信息

所谓的高超声速飞行,是指飞行器飞行的马赫数(飞行速度与飞行器所在位置的声速之比)等于或大于5的飞行,包括火箭高超声速系统和吸气式高超声速系统两个方面。高超声速飞行器技术作为航空航天技术的结合点,涉及到许多学科的关键技术如推进技术,材料与结构技术,飞行控制技术,研发、试验和评估一体化等,是诸多前沿技术的集合。因此高超声速技术的发展将会对未来军事发展战略!空间技术!武器体系构建乃至整个科学技术进步产生重大影响,研究和发展高超声速飞行器在开发太空和保障国家安全等方面具有十分重要的意义。经过近三十年的努力,人们对非线性系统控制问题的研究取得突破性的进展,形成一系列有效的设计方法。对于高超声速飞行器所具有的高非线性、强耦合性以及复杂的飞行环境所带来的不确定性,几乎所有的先进控制方法都或多或少的在高超声速器的飞行控制系统设计中有所应用。本文基于考虑地球自转、高超声速飞行器六自由度动力学模型,针对高超声速飞行器纵向运动的一类模型匹配有界不确定性问题,采用PID控制与动态逆反馈相结合的方法设计了基于动态逆反馈的PID控制器,该控制器结合了动态逆反馈的解耦特性和PID控制的鲁棒性能,达到了较好的控制效果。通过基于动态逆反馈的PID控制方法与经典控制方法的计算机数值仿真对比实验,验证了基于动态逆反馈的PID控制方法的优越性。采用动态逆反馈控制方法进行控制律设计时,需要精确地求出无人机的逆模型,然而在建模过程中不可避免的会存在一些建模误差,因此本文中求出的逆模型只能是近似的而不是精确的。

关键词：高超声速飞行器非线性动力学模型动态逆反馈 PID控制

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