基于輸入受限式自激發(fā)驅(qū)動(dòng)的多機(jī)器人協(xié)同控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明所涉及的是基于多SCARA機(jī)器人的多機(jī)器人組網(wǎng)協(xié)同控制領(lǐng)域，具體涉及 一種基于輸入受限式自激發(fā)驅(qū)動(dòng)的多機(jī)器人協(xié)同控制方法，實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人輸入受限分布式 協(xié)同自激發(fā)驅(qū)動(dòng)1^增益優(yōu)化控制。
【背景技術(shù)】
[0002] 工業(yè)機(jī)器人以其代替人類(lèi)單調(diào)繁重的體力勞動(dòng)，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化提高生產(chǎn)效率等 優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、汽車(chē)制造等領(lǐng)域。這其中平面關(guān)節(jié)型SCARA(selective compliance assembly robot arm)機(jī)器人，具有動(dòng)作快、重復(fù)精度高、部件少、多種安裝方 式、基本免維修等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)得到了大量應(yīng)用。伴隨著研究的不斷深入，針對(duì)多機(jī)器 人協(xié)同作業(yè)的需求日益強(qiáng)烈，其可完成單個(gè)機(jī)器人體無(wú)法完成的功能，能極大增強(qiáng)機(jī)器人 協(xié)同作業(yè)的效率，研究多個(gè)機(jī)器人的編隊(duì)、組網(wǎng)、協(xié)同和控制具有極高的科學(xué)與應(yīng)用價(jià)值。 多機(jī)器人之間通過(guò)信息共享實(shí)現(xiàn)配合、協(xié)作，共同完成作業(yè)任務(wù)，對(duì)未來(lái)產(chǎn)業(yè)鏈的升級(jí)都具 有深刻的意義。
[0003] 在傳統(tǒng)的多機(jī)器人、無(wú)人機(jī)等高機(jī)動(dòng)協(xié)同作戰(zhàn)平臺(tái)進(jìn)行信息交互時(shí)，通常采用基 于時(shí)間驅(qū)動(dòng)機(jī)制的閉環(huán)控制，即需要每一個(gè)智能體的反饋通道與前向通道，智能體與智能 體之間信息交換時(shí)，都需要進(jìn)行周期性采樣。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以持續(xù)觀(guān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)， 但是需要執(zhí)行器和反饋回路進(jìn)行持續(xù)不斷的反饋。而自激發(fā)驅(qū)動(dòng)機(jī)制下的控制是指只有當(dāng) 系統(tǒng)狀態(tài)滿(mǎn)足一定條件時(shí)控制器才會(huì)啟動(dòng)發(fā)揮其作用，不需要進(jìn)行周期性的采樣。而即使 在事件驅(qū)動(dòng)激發(fā)驅(qū)動(dòng)機(jī)制下，仍然要求精密的硬件設(shè)備在全過(guò)程中監(jiān)控被控對(duì)象的誤差。 但工程實(shí)現(xiàn)時(shí)的多種協(xié)同控制背景下，上述策略所要求的設(shè)備并不具備這一條件。而自激 發(fā)驅(qū)動(dòng)機(jī)制則能有效避免這一問(wèn)題，其主要思想是控制器下一更新的時(shí)刻值在上一個(gè)運(yùn)算 周期就提前計(jì)算出來(lái)，而不需要持續(xù)監(jiān)測(cè)測(cè)量誤差來(lái)觸發(fā)更新時(shí)刻。自激發(fā)驅(qū)動(dòng)控制機(jī)制 是針對(duì)傳統(tǒng)時(shí)間驅(qū)動(dòng)機(jī)制無(wú)法滿(mǎn)足大規(guī)模數(shù)據(jù)交換提出的，可有效解決數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中的 延時(shí)、丟包和擁堵等現(xiàn)象，節(jié)省計(jì)算資源、通信帶寬、大大提高系統(tǒng)通信效率和可靠性。由于 自激發(fā)驅(qū)動(dòng)機(jī)制這一顯著優(yōu)點(diǎn)，其研究得到學(xué)術(shù)界和國(guó)外軍事部門(mén)普遍關(guān)注和深入研究。
[0004] 多機(jī)器人協(xié)同控制系統(tǒng)因其具有速度快、數(shù)據(jù)交換量大、容易延時(shí)丟包和工作環(huán) 境復(fù)雜等特點(diǎn)，其建模、控制和調(diào)節(jié)等問(wèn)題成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究熱點(diǎn)問(wèn)題。但是目前 在機(jī)器人控制系統(tǒng)中各種驅(qū)動(dòng)機(jī)制中，通常并未考慮輸入受限等非線(xiàn)性環(huán)節(jié)。輸入受限系 統(tǒng)自激發(fā)驅(qū)動(dòng)控制指的是針對(duì)輸入或狀態(tài)受限的被控對(duì)象采取自激發(fā)驅(qū)動(dòng)的方式進(jìn)行協(xié) 同、規(guī)劃與控制，且利用合適的控制策略來(lái)處理輸入或狀態(tài)受限的非線(xiàn)性約束，用以減小輸 入受限系統(tǒng)的運(yùn)算負(fù)擔(dān)，提高通信效率，使數(shù)據(jù)交換量較大的多機(jī)器人系統(tǒng)具備傳統(tǒng)控制 系統(tǒng)無(wú)法達(dá)成的能力。
[0005] 自上世紀(jì)九十年代以來(lái)，隨著網(wǎng)絡(luò)理論、通信技術(shù)、控制科學(xué)和工程技術(shù)的快速發(fā) 展，迫切需要解決受限多機(jī)器人控制系統(tǒng)的鎮(zhèn)定和控制問(wèn)題。在該類(lèi)系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的基于時(shí) 間驅(qū)動(dòng)的控制方法往往因?yàn)橛?jì)算量龐大，且需要用到所有時(shí)刻的歷史信息進(jìn)行迭代而面臨 諸多瓶頸，而采用事件驅(qū)動(dòng)和自激發(fā)驅(qū)動(dòng)的方式可以提高多智能體的整體效能，節(jié)省系統(tǒng) 的通信成本，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，使控制系統(tǒng)具有良好的控制品質(zhì)。自激發(fā)驅(qū)動(dòng)與事件 驅(qū)動(dòng)和基于事件或非時(shí)間參考量的規(guī)劃與控制方法最早由美國(guó)密西根州立大學(xué)的席寧于 1993年在其博士論文里首次提出的一種新型控制策略?！斗植际骄W(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)的 事件觸發(fā)米樣優(yōu)化準(zhǔn)則》（The event-triggered sampling optimization criterion for distributed networked monitoring and control systems) 一文中，提出基于事件驅(qū)動(dòng)和 自激發(fā)驅(qū)動(dòng)的控制方法在大時(shí)延網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)控制中，能獲得比基于時(shí)間驅(qū)動(dòng)的控制方法 更為可靠、更優(yōu)良的控制效果，避免時(shí)延問(wèn)題造成的系統(tǒng)性能下降，因而近5年來(lái)，受到較 多的關(guān)注和研究。自激發(fā)驅(qū)動(dòng)與事件驅(qū)動(dòng)對(duì)單個(gè)和多個(gè)智能體的控制與調(diào)節(jié)問(wèn)題也已經(jīng)出 現(xiàn)相關(guān)結(jié)論，但是截止目前，自激發(fā)驅(qū)動(dòng)與事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制引入多機(jī)器人系統(tǒng)后，對(duì)于輸入受 限系統(tǒng)的影響目前暫無(wú)明確的結(jié)果，依然為一個(gè)開(kāi)放性的課題。
[0006] 另一方面，輸入受限普遍存在于各類(lèi)工業(yè)系統(tǒng)和航空航天系統(tǒng)。受到物理屬性的 限制，絕大多數(shù)實(shí)際系統(tǒng)都存在約束問(wèn)題，特別是輸入約束，例如被控對(duì)象速度、位置、加 速度、飛行器系統(tǒng)轉(zhuǎn)彎半徑、化學(xué)裝置的流量、溫度、甚至是網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的流量等。執(zhí)行器 飽和往往會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的各項(xiàng)性能，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，甚至引發(fā)重大事故。輸入受限系 統(tǒng)的穩(wěn)定和鎮(zhèn)定具有重要的實(shí)際意義，但在理論上卻極具挑戰(zhàn)。為處理飽和非線(xiàn)性，各類(lèi)設(shè) 計(jì)和綜合的方法被提出來(lái)。各類(lèi)新型被控對(duì)象，尤其是高機(jī)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)型和小型化的飛行器 中，其運(yùn)動(dòng)速度越來(lái)越快，受到的干擾也越來(lái)越劇烈，外部擾動(dòng)通常不可直接測(cè)量，且對(duì)探 測(cè)器信號(hào)穩(wěn)定影響較大，因此回路極易發(fā)生飽和現(xiàn)象，研究能夠克服輸入飽和約束且能進(jìn) 行噪聲抑制的回路穩(wěn)定算法和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)是其急需解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對(duì)上述高速機(jī)器人控制系統(tǒng)存在的需要進(jìn)行高速周期性采樣，部分狀態(tài)不可測(cè) 與飽和非線(xiàn)性等影響因素，本發(fā)明提出一種基于輸入受限式自激發(fā)驅(qū)動(dòng)的多SCARA機(jī)器人 協(xié)同控制方法，實(shí)現(xiàn)輸入受限系統(tǒng)的自激發(fā)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)反饋和輸出反饋1^增益優(yōu)化控制設(shè) 計(jì)。
[0008] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種基于輸入受限式自激發(fā)驅(qū)動(dòng)的 多機(jī)器人協(xié)同控制方法，其中：
[0009] 對(duì)于帶輸入受限約束的自激發(fā)驅(qū)動(dòng)閉環(huán)系統(tǒng)，在其控制器的表達(dá)式為
的情況下，求取使下列多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題具有可行解 的矩陣
和常數(shù)的標(biāo)量δ :
\為鄰接矩陣Α。中的元素，表 示第i和第j個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的連接關(guān)系，其中鄰接矩陣A。= [ai]] ERnxn為帶有非負(fù)元素ai]， 且對(duì)角線(xiàn)均為〇的矩陣； <為自激發(fā)驅(qū)動(dòng)時(shí)刻，u為控制器輸入，μ為正常數(shù)，F(xiàn)為狀態(tài)反饋 增益值，X1, Χ]分別是相鄰近的第i個(gè)和第j個(gè)機(jī)器人的系統(tǒng)狀態(tài)；
[0012] 通過(guò)滿(mǎn)足第一約束條件，確定帶輸入受限約束的自激發(fā)驅(qū)動(dòng)閉環(huán)系統(tǒng)的不變集， 使表示系統(tǒng)穩(wěn)定性要求的李雅普諾夫函數(shù)的導(dǎo)數(shù)F < 0 :
[0013] 第一約束條件為：
[0015] 通過(guò)滿(mǎn)足第二約束條件，確定多機(jī)器人協(xié)同自激發(fā)驅(qū)動(dòng)閉環(huán)系統(tǒng)的橢球范圍，確 保橢球處于使系統(tǒng)不發(fā)生飽和的線(xiàn)性區(qū)間
[0016] 第二約束條件為：
符號(hào)表示共輒對(duì)稱(chēng)關(guān) 系；/7,為矩陣77的第i行；ε (P，P )是帶輸入受限約束的自激發(fā)驅(qū)動(dòng)閉環(huán)系統(tǒng)的一個(gè)不變 集；
[0019] 通過(guò)滿(mǎn)足第三約束條件，根據(jù)估計(jì)的控制輸出的峰值大小進(jìn)行自激發(fā)驅(qū)動(dòng)閉環(huán)系 統(tǒng)的1^增益優(yōu)化，使得從噪聲w到性能輸出ζ的L i增益不大于δ ;
[0020] 第三約束條件為：
[0022] 其中，A, Β，Cz，Dzw為第i個(gè)機(jī)器人的被控對(duì)象方程中的參數(shù)；機(jī)器人對(duì)象的描述方 程為：
[0023] 所述多機(jī)器人協(xié)同控制方法使多個(gè)平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人構(gòu)成的系統(tǒng)達(dá)到狀態(tài)一致， 完成多機(jī)器人協(xié)同制導(dǎo)與控制。
[0024] 優(yōu)選地，通過(guò)下式求解自激發(fā)驅(qū)動(dòng)時(shí)刻：
[0027] 對(duì)于任意
是第j個(gè)機(jī)器人的最后一個(gè)事件驅(qū)動(dòng)時(shí)刻。
[0028] 優(yōu)選地，確定帶輸入受限約束的自激發(fā)驅(qū)動(dòng)閉環(huán)系統(tǒng)的不變集時(shí)，將飽和環(huán)節(jié)表 達(dá)在多胞上，使李雅普諾夫函數(shù)的導(dǎo)數(shù)#·<〇轉(zhuǎn)換為：
[0031] 優(yōu)選地，確定多機(jī)器人協(xié)同自激發(fā)驅(qū)動(dòng)閉環(huán)系統(tǒng)的橢球范圍時(shí)，求解矩陣P = Ρτ>0,和正的標(biāo)量p，使得下式成立：
[0034] 優(yōu)選地，通過(guò)下式，使測(cè)量輸出z(t)最小化，或者使以δ表示的峰峰值增益最小 化：
[0035] zT(t)z(t) 5wT(t)w(t)
[0036] 其中，w(t)為噪聲。
[0037] 本發(fā)明基于輸入受限式自激發(fā)驅(qū)動(dòng)的多SCARA機(jī)器人協(xié)同控制方法，實(shí)現(xiàn)多機(jī)器 人輸入受限分布式協(xié)同自激發(fā)驅(qū)動(dòng)L 1增益優(yōu)化控制設(shè)計(jì)，該方法拋棄了傳統(tǒng)控制方法中需 要進(jìn)行周期性采樣的反饋控制方式，而是在滿(mǎn)足穩(wěn)定性和優(yōu)化特性前提下，等到閉環(huán)系統(tǒng) 真正需要時(shí)，利用上一時(shí)刻智能體自身信息獲取下一時(shí)刻控制量，完成自激發(fā)采樣控制。此 外，在上述自激發(fā)驅(qū)動(dòng)機(jī)制上，本發(fā)明采用多胞方法處理飽和非線(xiàn)性環(huán)節(jié)，可以有效進(jìn)