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无人船载机械手末端轨迹跟踪研究
| 论文题名： | 无人船载机械手末端轨迹跟踪研究 |
| 关键词： | 无人船载机械手;末端轨迹跟踪;级联反馈控制;末端执行器;模糊不确定观测器 |
| 摘要： | 随着自主海洋航行器与移动机器人技术的发展，越来越多的学者开始关注水面环境下移动机器人的相关问题。作为一种耦合非线性多智能体结构，装载在水面无人船上的机械手是移动机器人在水面无人系统下的创新型应用。轨迹跟踪作为智能体运动控制的关键性问题，其跟踪精度与效率可以直接影响其他任务的执行效果。为了使移动机械手可以在指定空间完成移动、抓取等动作，需要末端执行器可以准确跟踪目标轨迹，因此研究无人船载机械手末端的轨迹跟踪控制策略具有重要意义。为了解决跟踪子系统动力学耦合问题、协调控制问题和复杂扰动等问题，本文展开了如下研究： 首先，通过科学的建模方法建立了无人船载机械手的完整模型，在此基础上提出一种双轨迹跟踪控制策略，分别控制无人船与机械手两个子系统。该策略采用级联反馈控制结构，可以保证两个子系统之间级联关系的稳定性，并在耦合动力学模型有界的前提下，提出一种自适应机制，有效减小了耦合模型不确定项对控制系统的影响。通过级联系统稳定性分析和Lyapunov稳定性分析严格证明了闭环系统的全局渐进稳定性；仿真结果也验证了双轨迹跟踪策略的有效性。 其次，提出一种基于模糊不确定观测器的协调控制策略，分别解决两个子系统之间的跟踪协调问题和耦合模型上界不确定问题。将包含末端轨迹跟踪误差的耦合误差变量作为各控制系统的反馈值，并设计模糊不确定观测器对未知耦合模型进行有效观测，最终控制无人船与机械手在各自操作空间内的跟踪误差同步收敛。通过严格的数学证明和仿真验证，证实了所提控制策略的有效性。 最后，考虑到系统所受到的外界干扰，将该部分干扰与系统耦合模型不确定项打包为复合扰动变量，通过有限时间扰动观测器进行精确观测，并在控制器中实现有限时间补偿。提出的基于全阶终端滑模的协调控制策略，完整描述了系统所有状态阶数并克服了滑模抖振问题，从而保证了两个轨迹跟踪子系统的有限时间稳定，最终可以实现末端执行器在任务空间内快速稳定跟踪上目标轨迹的效果。通过有限时间稳定性分析和MATLAB对比仿真实验，证实了所提控制策略的优越性。 |
| 作者： | 潘婷 |
| 专业： | 电力系统及其自动化 |
| 导师： | 余明裕 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连海事大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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