久约束多机协调吊运系统轨迹跟踪与防摆控制研究

摘要

随着社会机械化程度的提高，对吊运技术和吊运系统提出越来越高的要求，体现在吊运应用多元化，吊运环境复杂化，被吊运物多样化。为了降低吊运系统设计、制造的复杂程度，用多机器人并联组成欠约束柔索并联吊运系统，即多机协调吊运系统。该系统结合多机器人系统和柔索并联机器人的特征，不仅具有可重组性、通用性、灵活性强、可模块化、工作空间大、响应速度快、环境适应性强等优点，同时可解决单个机器人负载能力低以及无法调节被吊运物姿态的问题。欠约束柔索并联系统的内部动力学特性复杂，同时柔索具有柔性和单向约束的特性，故研究欠约束多机协调吊运系统具有很大的工程实践和理论研究价值。
　　首先，对欠约束多机协调吊运系统进行构型分析，主要研究3R3T构型的多机协调吊运系统的运动学、动力学模型和误差分析，并建立含有误差源的系统模型等一系列问题。在运动学分析的基础上，根据空间几何学和达朗贝尔原理得到牛顿-欧拉方程，即系统的动力学模型;考虑机构误差和柔索的柔性误差，并加入外界不确定因素的扰动，得到含有误差源的系统模型;针对系统的误差多而繁的缺点，提出误差指标—误差熵，可以准确客观的反映被吊运物整体的误差水平;通过数值模拟仿真，验证多机协调吊运系统的运动学、动力学模型和含误差源模型的正确性，以及验证提出的误差熵指标的正确性。
　　其次，对欠约束多机协调吊运系统运动进行分析，在运动过程中需要完成轨迹跟踪控制，使得实际运行轨迹趋于理想轨迹。在欠约束多机协调吊运系统的误差模型基础上，并考虑系统存在高频低幅振动及系统建模误差，根据力-位混合控制策略，采用基于BP神经网络的智能PID控制和基于模糊自调整的免疫PID控制器，对系统轨迹进行跟踪控制;通过仿真试验结果表明，选取合理的控制参数，两种控制策略均能实现机器人系统的轨迹跟踪，基于模糊自调整的免疫PID控制器控制方法优于基于BP神经网络的智能PID控制，对系统轨迹跟踪控制有更好的控制效果。
　　然后，对欠约束多机协调吊运系统进行摆动分析，提出加速度突变过程的摆动条件，加入规划控制，实现系统的防摆控制。对系统摆动的过程进行分析，得到系统发生摆动的条件;针对系统的特征，将系统起动和制动分别分为三种情况，分别提出不同起动和制动过程中加速度和速度规划方法;对系统起动到制动结束进行规划得到系统运动规划控制流程图，对直线运动和曲线运动分别提出完整的加速度和速度规划，得到规划方程;对系统的防摆控制过程进行动态仿真，分别得到直线运动和曲线运动下柔索拉力，验证加速度规划控制能够快速实现系统防摆控制，这对于提高欠约束多机协调吊运系统的综合性能具有重要意义。
　　接着，对欠约束多机协调吊运系统进行定位分析，提出定位摆动的模型和控制策略。分析多机协调吊运系统快速定位过程的摆动，得到快速定位产生的摆动由双线摆和单线摆交替进行直至能量耗尽;针对多机协调吊运系统的特征，提出柔索约束式预期控制实现被吊运物快速定位，基于能量法设计控制器，控制系统的被吊运物能快速达到系统期望位置;通过仿真验证柔索约束式预期控制能够快速实现被吊运物定位控制。
　　最后，设计和搭建多机协调吊运系统的实验样机并对其进行运动测试，然后通过实验验证所提出模型的正确性和规划防摆方法的可行性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题来源

1．2 选题背景

1．3 国内外研究现状

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 本文研究目的和意义

1．5 本文研究主要内容

2 多机协调吊运系统模型分析

2．1 引言

2．2 构型分析

2．3 模型分析

2．4 模型误差分析

2．5 误差指标

2．6 模型仿真

2．7 本章小结

3多机协调吊运系统轨迹跟踪控制

3．1 引言

3．2 控制基础及方案

3．2．1 正逆解分析

3．2．2 控制方案分析

3．2．3 力-位混合控制

3．3 控制方法

3．3．1 基于BP神经网络的智能PID控制

3．3．2 基于模糊自调整的免疫PID控制

3．4 轨迹跟踪控制仿真

3．5 本章小结

4多机协调吊运系统防摆控制

4．1 引言

4．2 摆动分析

4．3 摆动控制策略

4．4 运动规划

4．4．1 直线运动规划

4．4．2 曲线运动规划

4．5 防摆控制仿真

4．6 本章小结

5 快速定位控制

5．1 引言

5．2 稳定域分析

5．2．1 平面多机协调吊运系统稳定域分析

5．2．2 空间多机协调吊运系统稳定域分析

5．3 定位摆动分析

5．4 快速定位控制

5．5 快速定位控制仿真

5．6 本章小结

6 实验

6．1 引言

6．2 系统设计

6．3 实验原理

6．4 实验样机的运动测试

6．5 防摆实验验证

6．6 本章小结

7 总结与展望

7．1 研究总结

7．2 研究展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果