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基于分数阶微积分的Leader I-DX服务机器人控制器设计及实现

作　者: 周祥章
导　师: 周风余; 李岩
学　校: 山东大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 服务机器人 Leader I-DX 运动控制分数阶微积分 μC/OS-Ⅱ
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 47次
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内容摘要

随着社会发展和科技进步的需要,服务机器人的应用研究日益受到人们的重视,各式各样的服务机器人已经出现在人们生活的各个领域。服务机器人的智能化水平越来越高,功能也越来越强大,这对其运动性能提出了更高的要求。本文主要以Leader Ⅰ-DX(?)(?)务机器人为平台,研究并设计了基于分数阶微积分的运动控制器,并成功应用与Leader Ⅰ-DX服务机器人,解决了机器人运动控制系统中的快速性、实时性、鲁棒性等问题。首先,介绍了Leader Ⅰ-DX运动控制系统的总体实现方案,着重介绍了各组成部分的功能和驱动电机的选型。稳定可靠的运动控制系统平台的建立为分数阶控制器的设计提供了良好的物质基础。其次,详细介绍了分数阶微积分的数学基础和分数阶系统。这些数学成果是分数阶控制理论的基础,为分数阶控制器的设计提供了理论支持。在此基础上,分别设计了分数阶PDμ控制器和分数阶PIλ控制器。仿真结果表明,分数阶PDμ控制器的优势在于其动态性能,而分数阶PIλ控制器的优势在于其稳态性能。再次,详细阐述了分数阶控制器的数字化实现,设计了增量式分数阶PIλD”算法。为了便于对参数进行调节,将分数阶微分器单独离散化,这样的就可以把Kp和Kd分离出来。其中,分数阶微分器通过微分项乘上一阶低通滤波来实现。然后,基于μC/OS-Ⅱ操作系统设计了Leader Ⅰ-DX运动控制系统的软件。运控控制系统的软件是分数阶控制器的载体,实时性好、效率高的嵌入式操作系统能更好的实现分数阶控制器的控制思想。最后,以分数阶PDμ控制器为例,对其运动性能做了综合测试,包括速度跟踪性能测试和运动性能综合测试。实验结果表明,分数阶PDμ控制器比整数阶PD控制器有更好的响应速度和精确度；分数阶PD”控制器对于负载的变化有很好的鲁棒性；分数阶PD”控制器有较好的稳定性。由此可见,相比于传统的整数阶控制器,基于分数阶微积分的控制器能取得更好的控制效果。

全文目录

摘要  10-11
ABSTRACT  11-13
第1章绪论  13-20
  1.1 课题的来源和意义  13
  1.2 服务机器人国内外发展现状  13-15
  1.3 机器人运动控制方法研究概述  15-18
    1.3.1 运动控制主要方法概述  15-17
    1.3.2 分数阶控制方法概述  17-18
  1.4 课题的研究目的与内容  18-20
第2章 Leader I-DX运动控制系统概述  20-32
  2.1 Leader I-DX结构图  20-21
  2.2 Leader I-DX控制系统整体架构  21-22
  2.3 Leader I-DX运动控制系统架构  22-25
    2.3.1 运动控制系统总体架构  22-23
    2.3.2 运动控制系统具体分析  23-25
  2.4 运动学与动力学分析  25-29
    2.4.1 运动学分析  25-27
    2.4.2 动力学分析  27-29
  2.5 电机选型  29-31
  2.6 本章小结  31-32
第3章分数阶微积分概述  32-42
  3.1 基础函数  32-33
    3.1.1 Gamma函数  32-33
    3.1.2 Bata函数  33
  3.2 分数阶微积分定义  33-34
    3.2.1 Grunwald-Letnicov定义  33-34
    3.2.2 Riemann-Liouville定义  34
    3.2.3 Caputo定义  34
  3.3 分数阶微积分的性质  34-35
  3.4 分数阶微积分的Laplace变换  35-37
    3.4.1 Laplace变换的定义和性质  35-36
    3.4.2 分数阶积分的Laplace变换  36
    3.4.3 分数阶微分的Laplace变换  36-37
  3.5 分数阶系统  37-41
    3.5.1 分数阶系统的数学描述  37-38
    3.5.2 分数阶微积分方程的解析解法  38-40
    3.5.3 分数阶微积分方程的数值解  40-41
  3.6 本章小结  41-42
第4章分数阶运动控制器的设计与数字化实现  42-63
  4.1 电机模型的建立  42-45
  4.2 整数阶PID控制器  45-46
  4.3 分数阶PI~λD~μ控制器  46-47
  4.4 分数阶控制器的设计  47-53
    4.4.1 分数阶PD~μ控制器的设计  47-49
    4.4.2 分数阶PD~μ控制器参数的求取  49-51
    4.4.3 分数阶PI~λ控制器的设计  51-53
  4.5 控制系统模型的建立及其仿真  53-59
    4.5.1 控制系统模型  53-54
    4.5.2 控制参数的变化对系统性能的影响  54-57
    4.5.3 分数阶PD~μ控制器和分数阶PI~λ控制器的比较  57-58
    4.5.4 分数阶PD~μ控制器和整数阶PD控制器的比较  58-59
  4.6 分数阶控制器数字化实现  59-62
  4.7 本章小结  62-63
第5章运动控制系统软件设计  63-71
  5.1 μC/OS-Ⅱ简介  63-64
  5.2 μC/OS-Ⅱ任务和优先级设计规则  64-65
  5.3 运动控制系统任务设计与实现  65-70
    5.3.1 运动控制系统任务设计  65-66
    5.3.2 运动控制任务具体实现  66-70
  5.4 本章小结  70-71
第6章分数阶控制器性能测试  71-79
  6.1 速度跟踪性能测试  71-75
  6.2 直线性能测试  75-77
  6.3 负载性能测试  77-78
  6.4 稳定性能测试  78
  6.5 本章小结  78-79
第7章总结与展望  79-81
  7.1 总结  79-80
  7.2 展望  80-81
参考文献  81-84
致谢  84-85
硕士期间发表的论文  85
硕士期间参加的科研工作  85-86
学位论文评阅及答辩情况表  86

基于分数阶微积分的Leader I-DX服务机器人控制器设计及实现

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