一类多体系统非完整运动最优规划的拟牛顿算法

研究带有非完整约束的一类多体系统运动规划问题。多体系统中的非完整约束通常是由不可积的速度约束或不可积的守恒律引起。在系统动量和动量矩守恒情况下,动力学方程降阶为非完整形式约束方程,系统的控制问题可转化为无漂移系统的非完整运动规划问题。文中首先导出具有多体开链系统的非完整运动模型。利用最优控制理论和最优化技术,采用输入参数化的方法将连续的最优控制问题转化为离散的最优控制问题,提出一种非完整多体系统运动规划的拟牛顿算法。最后将该方法用于自由漂浮的空间三连杆机构,仿真结果验证了该方法的有效性。     

航天器太阳阵伸展过程最优控制的遗传算法

本文讨论航天器太阳阵伸展中航天器姿态的最优控制问题。利用动量矩守恒原理导出带太阳阵航天器的动力方程,指出了系统的非」完整约束性质。将航天器太阳阵展开过程中主体姿态控制问题转化为非线性系统最优控制问题。厚优控制中引入遗传算法,替代传统的牛顿迭代方法。提出基于遗传算法的非完整运动规划最优控制算法。通过数值仿真表明,该方法对太阳阵伸展过程航天器姿态控制是有效的。     

动态规划求解空间双臂机器人非完整运动最优控制问题

通过自适应动态规划研究自由漂浮空间双臂机器人运动的最优控制问题．针对空间双臂机器人的非完整性运动,采用自适应动态规划(Adaptive Dynamic Programming, ADP)方法求解其最优控制问题．根据多体动力学理论,推导了载体位置、姿态均无控制条件下,双臂空间机器人满足的系统动量守恒关系的非完整约束方程,并将其转化为控制系统的状态方程,从而将双臂空间机器人的非完整运动规划问题转化为对非线性系统的控制问题．文中根据自适应动态规划网络结构,利用神经网络来近似性能指标函数,进而用龙格库塔法求解状态变量．并给出了适合该类问题的一种效用函数具体表达式,保证了空间双臂机器人到达期望位置后不再继续运动．实现了对空间双臂机器人非完整运动规划的最优控制．数值仿真实验验证了ADP对求解空间双臂机器人非完整运动规划最优控制问题的有效性．     

带空间机械臂航天器姿态运动规划的数值算法研究

自由漂浮空间机械臂系统在无外力矩作用时,系统的动量矩守恒而成为非完整系统。利用这一特性本文研究了自由漂浮空间机械臂系统的三维姿态运动规划问题。导出带空间机械臂的航天器三维姿态运动数学模型,将系统的非完整运动规划问题转化为非线性系统最优控制问题,在最优控制中利用小波逼近控制输入规律,提出基于遗传算法的最优控制数值算法。通过数值仿真,表明该方法对带空间机械臂航天器系统的非完整姿态运动规划是有效的。     

论轮式移动结构的非完整约束及其运动控制

当质点沿光滑曲线运动时,必须满足横向速度为零的条件.同样地,不同轮式移动结构在平面上做光滑曲线运动时都需要满足该非完整约束条件.本文结合轮子转速和它们运动速度的完整约束关系,理清各轮式移动结构的完整和非完整约束,然后利用 Euler-Lagrange 方程方便地推导出相应的动力学方程.另外,通过该非完整约束,将目标轨迹曲线转化为速度目标的形式,然后引入目标轨迹曲线的相对曲率设计合适的动态跟踪目标.进一步,通过采用该动态跟踪目标可以将轮式移动结构的运动规律和动力学方程有机结合起来,并将原运动任务简化为一般的 轨迹 控制问题.基于该动态跟踪目标可以为轮式移动结构设计合适的鲁棒跟踪控制器,通过跟踪目标轨迹曲线的相对曲率来实现对目标曲线的精确跟踪.最后,理论分析和仿真结果显示,采用动态目标跟踪方法能够从根本上解决初始速度误差过大和位置误差不断被累积的问题,即使前向速度误差系统不稳定的,实际运动轨迹也几乎能和目标轨迹曲线重合.      

ON THE NONHOLONOMIC CONSTRAINTS AND MOTION CONTROL OF WHEELED MOBILE STRUCTURES1)

当质点沿光滑曲线运动时,必须满足横向速度为零的条件.同样地,不同轮式移动结构在平面上做光滑曲线运动时都需要满足该非完整约束条件.本文结合轮子转速和它们运动速度的完整约束关系,理清各轮式移动结构的完整和非完整约束,然后利用 Euler-Lagrange 方程方便地推导出相应的动力学方程.另外,通过该非完整约束,将目标轨迹曲线转化为速度目标的形式,然后引入目标轨迹曲线的相对曲率设计合适的动态跟踪目标.进一步,通过采用该动态跟踪目标可以将轮式移动结构的运动规律和动力学方程有机结合起来,并将原运动任务简化为一般的 轨迹 控制问题.基于该动态跟踪目标可以为轮式移动结构设计合适的鲁棒跟踪控制器,通过跟踪目标轨迹曲线的相对曲率来实现对目标曲线的精确跟踪.最后,理论分析和仿真结果显示,采用动态目标跟踪方法能够从根本上解决初始速度误差过大和位置误差不断被累积的问题,即使前向速度误差系统不稳定的,实际运动轨迹也几乎能和目标轨迹曲线重合.     

空间机械臂非完整运动规划的最优控制

讨论空间机械臂系统的运动规划问题，利用系统的非完整特性，将空间机械臂动力学方程转化为非线性控制系统的状态方程，给出一种最优控制的数值自满。通过仿真计算，表明该算法的有效性。     

HYBRID OPTIMIZATION STRATEGY FOR MOTION PLANNING OF SPACE ROBOT SYSTEM WITH PRISMATIC JOINT

研究了自由漂浮带滑移铰空间机器人非完整运动规划的最优控制问题,提出一种由高斯伪谱法求解可行解与直接打靶法求解最优解相结合的混合优化策略.首先,根据多体系统动力学理论建立空间机器人的动力学模型,给定系统的初始和目标位形,将空间机器人运动规划问题描述成博尔察（Bolza）型最优控制问题;然后,利用高斯伪谱法将最优控制问题离散为非线性规划问题,求解在较少勒让德-高斯（Legendre-Gauss,LG）点时状态变量和控制变量对应的可行解;最后,在LG点处离散控制变量,作为直接打靶法的初值,利用序列二次规划算法求解空间机器人系统的优化运动轨迹和最优控制输入.通过数值仿真,系统优化运动轨迹光滑平稳,最优控制输入也能很好地满足各种约束条件,仿真结果验证了该混合优化策略的鲁棒性和有效性.     

带滑移铰空间机器人运动规划的混合优化策略

研究了自由漂浮带滑移铰空间机器人非完整运动规划的最优控制问题,提出一种由高斯伪谱法求解可行解与直接打靶法求解最优解相结合的混合优化策略.首先,根据多体系统动力学理论建立空间机器人的动力学模型,给定系统的初始和目标位形,将空间机器人运动规划问题描述成博尔察(Bolza)型最优控制问题;然后,利用高斯伪谱法将最优控制问题离散为非线性规划问题,求解在较少勒让德-高斯(Legendre--Gauss,LG)点时状态变量和控制变量对应的可行解;最后,在LG点处离散控制变量,作为直接打靶法的初值,利用序列二次规划算法求解空间机器人系统的优化运动轨迹和最优控制输入.通过数值仿真,系统优化运动轨迹光滑平稳,最优控制输入也能很好地满足各种约束条件,仿真结果验证了该混合优化策略的鲁棒性和有效性.     

自由漂浮空间机器人路径优化的Legendre伪谱法

基于Legendre 伪谱法研究自由漂浮空间机器人非完整路径规划的最优控制问题. 自由漂浮是空间机器人执行任务常用的工作模式,其路径优化是空间机器人完成复杂空间任务的基础. 由于空间机器人不具有固定基座,机械臂和载体之间存在非完整约束,使得自由漂浮空间机器人路径规划完全不同于地面机器人而变得具有挑战性. 本文提出自由漂浮空间机器人路径规划的最优控制伪谱方法. 首先,利用多体动力学理论建立自由漂浮空间机器人动力学模型,给定系统的初始和目标位形,选取机械臂关节耗散能最小为性能指标,并考虑实际控制输入受限,建立其路径规划的Bolza 问题. 然后,应用Legendre 伪谱法,将状态和控制变量在Legendre-Gauss-Lobatto (LGL) 点上离散,并构造Lagrange 插值多项式逼近系统状态和控制变量,将连续路径优化问题离散化为非线性规划问题求解. 最后通过数值仿真表明,应用Legendre 伪谱法求解自由漂浮空间机器人非完整路径规划问题,得到的机械臂和载体最优运动轨迹,较好地满足各种约束条件,且计算精度高、速度快,并具有良好的实时性.      

A random-profile approach for trajectory planning of wheeled mobile robots

We present a random-profile approach to treat the optimal free-trajectory planning problem for nonholonomic wheeled mobile robots subjected to move in a constrained workspace. This versatile method is based on a simultaneous search for the robot path and for the time evolution on this path. It handles obstacle avoidance issues while considering kinodynamic constraints (bounded velocities, accelerations and torques). It may be applied to treat problems with various forms of optimization criteria involving travel time, efforts and power. Numerical results, obtained via the simulated-annealing technique of optimization, are presented for two- and three-wheel mobile robots and are compared to those available in the literature.     

Point-to-point trajectory planning of wheeled mobile manipulators with stability constraint. Extension of the random-profile approach

We propose a flexible stochastic scheme for point-to-point trajectory planning of nonholonomic wheeled mobile manipulators subjected to move in a structured workspace. The problem is known to be complex, particularly if obstacles are present and if dynamic stability constraint is considered. The proposed method consists of extending to wheeled mobile manipulators the random-profile approach recently applied to wheeled platforms. This versatile method handles constraints on: (i) geometry (obstacle avoidance, bounded joint positions and path curvature); (ii) kinematics (bounded velocities and accelerations); (iii) dynamics (bounded torques, stability condition). It may be applied using various forms of cost functions involving travel time, efforts and power. Solutions are presented for planar and spatial nonholonomic wheeled mobile manipulators undertaking, in a constrained workspace, a point-to-point task defined either in generalized or operational coordinates.     

爬壁机器人系统的Noether对称性和守恒量

爬壁机器人的运动是一种模仿壁虎爬行的运动, 爬壁机器人的运动可分解为四肢带动身体的运动, 先前的研究都是基于牛顿力学的方法. 本文采用Lagrange 力学的方法建立爬壁机器人系统的运动方程, 并运用Lie群分析方法建立该系统的Noether对称性理论, 得出爬壁机器人的运动规律. 首先, 给出非完整爬壁机器人系统的动能、势能和Lagrange函数以及所受的非完整约束, 从而建立了非完整爬壁机器人系统的Lagrange方程; 其次, 引入关于时间和广义坐标的无限小变换, 提出了非完整爬壁机器人系统的Hamilton作用量和Hamilton作用量的基本变分公式; 第三, 给出爬壁机器人系统 Noether对称性变换和广义准对称变换的定义, 判据和存在的Noether守恒量, 并提出了非保守完整系统和非保守非完整爬壁机器人系统的Noether定理; 最后, 以圆锥面上爬壁机器人为例, 对给出的守恒量直接进行积分给出圆锥面上爬壁机器人整体运动的精确解和四肢运动的数值解, 发现了该爬壁机器人的运动规律, 很好地验证了非完整爬壁机器人系统的Noether对称性理论. 本文的研究为Lie群分析方法应用于其他复杂的机器人系统以及柔性机器人系统的对称性求解提出了一种新的对称性求解方法.      

Control of a compound wheeled vehicle with two steering wheels

The problem of synthesis of a control system for a wheeled robotic vehicle consisting of two links (driving and driven) is analyzed. The robot is considered to be a controlled system of rigid bodies with nonholonomic constraints and to have two steerable wheels. Additionally, it is necessary to decide where the second steerable wheel is (on the driving or driven link). In this connection, two models of a compound wheeled robotic vehicle with two steerable wheels are considered. For these models, the problem of synthesis of feedback is solved. They are compared by modeling Translated from Prikladnaya Mekhanika, Vol. 44, No. 12, pp. 111–120, December 2008.     

OPTIMAL MOTION PLANNING FOR A RIGID SPACECRAFT WITH TWO MOMENTUM WHEELS USING QUASI-NEWTON METHOD

An optimal motion planning scheme based on the quasi-Newton method is proposedfor a rigid spacecraft with two momentum wheels. A cost functional is introduced to incorporatethe control energy, the final state errors and the constraints on states. The motion planning fordetermining control inputs to minimize the cost functional is formulated as a nonlinear optimalcontrol problem. Using the control parametrization, one can transform the infinite dimensionaloptimal control problem to a finite dimensional one that is solved via the quasi-Newton methodsfor a feasible trajectory which satisfies the nonholonomic constraint. The optimal motion planningscheme was applied to a rigid spacecraft with two momentum wheels. The simulation results showthe effectiveness of the proposed optimal motion planning scheme.