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刚柔混合漂浮基空间机器人系统的智能神经网络控制

作　者: 黄登峰
导　师: 陈力
学　校: 福州大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 刚柔混合漂浮基空间机器人神经网络控制模糊逻辑控制轨迹跟踪振动抑制
分类号: TP242
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

空间机器人系统将在未来的太空活动中发挥日益重要的作用。从节省控制燃料的角度出发，考虑使用本体位置不受控、姿态受控或不受控的漂浮基空间机器人系统。为了提高操作性能，有必要采用双臂空间机器人系统。再者，空间机器人系统的杆件多设计为轻质细长杆件，因此机械臂的柔性是不可忽略的。本文采用第二类拉格朗日方程，推导了漂浮基单、双臂空间机器人的系统动力学方程；结合假设模态法，建立了漂浮基柔性空间机械臂的系统动力学模型。基于双向映射神经元网络，采用两个网络分别计算正运动学和雅可比矩阵，然后利用李雅普诺夫直接方法，设计了收敛的空间机器人逆运动学求解方案。结合模糊控制理论与小波神经网络，针对系统参数未知的情况，设计了双臂空间机器人的模糊小波神经网络控制器；采用反向传播算法对网络参数进行在线训练，从而使控制器具有较好的自学习和自适应能力。应用模糊基函数网络逼近未知的系统动力学方程，利用鲁棒方法处理包含逼近误差和外部扰动在内的不确定性，设计了系统参数完全未知时的关节空间和系统惯性参数未知时的惯性空间轨迹跟踪控制方案；不但不需要系统动力学方程关于惯性参数呈线性函数关系，而且利用学习规则在线自适应调节网络的所有权值和参数，因此控制方案是灵活的。对于柔性空间机械臂系统，在不对柔性振动专门设计控制器时，针对系统参数未知的情况，提出了基于小波基模糊神经网络控制方法；针对存在外部扰动和系统参数未知的情况，利用对角递归神经网络逼近系统的逆动力学模型，设计了基于对角递归神经网络的控制方案。为了能主动抑制柔性杆的振动，基于奇异摄动理论，分别针对系统参数已知和未知的情况，提出了柔性空间机械臂系统的模糊逻辑控制和柔性振动最优控制以及分块神经网络控制和柔性振动模糊控制；不但有效地完成了轨迹跟踪，而且能主动抑制柔性杆的振动。运用虚拟控制力的概念生成同时反映柔性振动模态和刚性运动轨迹的混合轨迹，提出了基于混合轨迹的模型不确定柔性空间机械臂神经网络补偿控制方案；既保证了神经网络控制对模型不确定的鲁棒性，也能主动抑制柔性振动，有效地提高了轨迹跟踪性能。系统数值仿真证实了本文所提控制方案的有效性和可行性。

全文目录

中文摘要  4-5
Abstract  5-11
第一章绪论  11-29
  1.1 引言  11-12
  1.2 空间机器人概况  12-14
    1.2.1 空间机器人的分类  12
    1.2.2 空间机器人的主要用途  12-13
    1.2.3 空间机器人的主要优势  13-14
  1.3 空间机器人的实际应用及发展趋势  14-18
    1.3.1 空间机器人的实际应用  14-17
    1.3.2 空间机器人的发展阶段  17-18
  1.4 空间机器人的理论研究现状  18-24
    1.4.1 空间机器人的运动学和动力学建模  18-19
    1.4.2 空间机器人的控制模式分类  19
    1.4.3 空间机器人的逆运动学求解及控制  19-20
    1.4.4 空间机器人轨迹跟踪的动力学控制  20-22
    1.4.5 柔性空间机器人的动力学控制  22-24
  1.5 选题意义及内容安排  24-29
    1.5.1 本文选题意义  24-25
    1.5.2 本文章节安排  25-29
第二章漂浮基空间机器人系统的运动学及动力学模型  29-47
  2.1 引言  29
  2.2 漂浮基空间机械臂系统的运动学及动力学模型  29-38
    2.2.1 漂浮基空间机械臂的系统结构  29-30
    2.2.2 本体位置不控、姿态受控的漂浮基空间机械臂系统建模  30-36
    2.2.3 本体位置、姿态均不受控的漂浮基空间机械臂系统建模  36-38
  2.3 漂浮基双臂空间机器人系统的运动学及动力学模型  38-46
    2.3.1 漂浮基双臂空间机器人的系统结构  38-40
    2.3.2 本体位置不控、姿态受控的漂浮基双臂空间机器人系统建模  40-44
    2.3.3 本体位置、姿态均不受控的漂浮基双臂空间机器人系统建模  44-46
  2.4 本章小结  46-47
第三章漂浮基空间机械臂基于双向映射神经元网络的逆运动学求解算法  47-53
  3.1 引言  47
  3.2 逆运动学求解方案设计  47-50
    3.2.1 双向映射神经网络控制器  48-49
    3.2.2 基于李雅普诺夫函数的逆运动学求解  49-50
  3.3 仿真算例  50-51
  3.4 本章小结  51-53
第四章漂浮基空间机器人系统的模糊小波神经网络控制  53-63
  4.1 引言  53
  4.2 基于模糊小波神经网络的双臂空间机器人控制器  53-55
  4.3 模糊小波神经网络  55-59
    4.3.1 模糊小波神经网络的具体结构  55-57
    4.3.2 模糊小波神经网络参数调整的在线学习算法  57-59
  4.4 系统仿真算例  59-61
  4.5 本章小结  61-63
第五章基于模糊基函数网络的漂浮基空间机器人轨迹跟踪自适应控制器设计  63-79
  5.1 引言  63
  5.2 模糊基函数网络的结构  63-65
  5.3 具有外部扰动和参数未知的漂浮基双臂空间机器人的模糊基函数网络控制  65-71
    5.3.1 双臂空间机器人关节运动的模糊基函数网络控制方法设计  65-69
    5.3.2 仿真算例  69-71
  5.4 基于模糊基函数网络的双臂空间机器人姿态、末端爪手协调运动的自适应调节控制  71-77
    5.4.1 双臂空间机器人惯性空间的系统动力学方程  71-72
    5.4.2 自适应调节模糊基函数网络控制方案的设计  72-75
    5.4.3 仿真算例  75-77
  5.5 本章小结  77-79
第六章漂浮基柔性空间机械臂系统的动力学模型  79-87
  6.1 引言  79
  6.2 漂浮基柔性空间机械臂的系统结构  79-80
  6.3 漂浮基柔性空间机械臂系统运动学模型的推导  80-82
  6.4 漂浮基柔性空间机械臂系统动力学模型的推导  82-86
  6.5 本章小结  86-87
第七章基于小波基模糊神经网络的漂浮基柔性空间机械臂轨迹跟踪控制  87-97
  7.1 引言  87
  7.2 柔性空间机械臂的小波基模糊神经网络控制方案设计  87-88
  7.3 小波基模糊神经网络  88-93
    7.3.1 小波基模糊神经网络的结构  88-91
    7.3.2 小波基模糊神经网络的在线学习算法  91-93
  7.4 系统仿真算例  93-95
  7.5 本章小结  95-97
第八章具有外部扰动的漂浮基柔性空间机械臂的对角递归神经网络控制  97-105
  8.1 引言  97
  8.2 控制方案设计  97-103
    8.2.1 基于神经网络的漂浮基柔性空间机械臂控制  97-100
    8.2.2 逆动力学模型的对角递归神经网络逼近  100-101
    8.2.3 对角递归神经网络控制的稳定性分析  101-103
  8.3 系统数值仿真  103-104
  8.4 本章小结  104-105
第九章柔性空间机械臂姿态、关节运动的模糊逻辑控制及柔性振动最优控制  105-113
  9.1 引言  105
  9.2 输入输出反馈线性化  105-106
  9.3 系统的奇异摄动模型  106-107
  9.4 系统控制方案设计  107-110
    9.4.1 慢变子系统模糊控制器  108-109
    9.4.2 快变子系统的 LQR 控制器  109-110
  9.5 系统仿真算例  110-112
  9.6 本章小结  112-113
第十章柔性空间机械臂关节运动的分块神经网络控制及柔性振动模糊控制  113-127
  10.1 引言  113
  10.2 基于奇异摄动法的快、慢系统分解  113-115
  10.3 柔性空间机械臂基于快、慢变子系统分解的组合控制方案设计  115-122
    10.3.1 慢变子系统的分块神经网络控制器设计  116-120
    10.3.2 柔性杆振动主动抑制的模糊控制器设计  120-122
  10.4 系统数值仿真  122-125
  10.5 本章小结  125-127
第十一章基于混合轨迹的模型不确定柔性空间机械臂神经网络补偿控制  127-135
  11.1 引言  127
  11.2 刚性运动的神经网络补偿控制  127-130
  11.3 基于混合轨迹的控制方案  130-132
  11.4 仿真算例  132-134
  11.5 本章小结  134-135
结论  135-139
参考文献  139-151
致谢  151-153
个人简历、在学期间的研究成果及发表的学术论文  153-155

刚柔混合漂浮基空间机器人系统的智能神经网络控制

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