基于优化预设性能的消防无人机软体机械臂控制系统技术方案

基于优化预设性能的消防无人机软体机械臂控制系统，预设性能控制系统是一种通过控制误差的收敛速度及超调量满足预先设定的条件，同时把控制误差收敛到一个预先指定的比较小的区域内的控制系统，具有较精确的控制精度和较快的响应速度。本方案将PID控制与预设性能控制系统相结合，利用PID控制结构和以对数形式误差变换为基础的预设性能函数来设计软体机械臂运动控制器，进而能高效减少软体机械臂的控制误差，有效提高了消防无人机作业过程中的稳定性和可靠性。

【技术实现步骤摘要】
基于优化预设性能的消防无人机软体机械臂控制系统
本专利技术属于消防无人机领域，涉及基于优化预设性能的消防无人机软体机械臂控制系统。
技术介绍
随着科技的发展，软体机械臂已经广泛运用于医疗、救援、工业、农业等多种领域。随着各种安全事故的种类以及发生率都不断增长，各种化学危险品以及放射性物质的泄漏、燃烧甚至是爆炸等情况不时出现，再加上一些坍塌事故等，人类社会面临的安全隐患也在不断增加。这类事故一旦发生就需要消防员来进行紧急救援，救援难度不断增加，在执行救援任务时，如果没有相应设备的辅助，极可能对消防员的安全造成威胁，救援工作可能也并不会顺利开展。随着科技的发展，安装有软体机械臂的消防无人机的出现在抢险救援中表现出了极大的优越性和安全性。大多数传统的机械臂是由硬质材料制成的，虽然输出力量大、速度快和精度高，但传统机械臂的结构复杂，灵活性差，使其不能穿过狭窄的空间，也不能适应形状复杂的通道，对很多消防救援工作的开展造成了一定的困难，促使越来越多的研究人员开发出了软体机械臂，并取得了巨大的进步。软体机械臂主体材料采用变形较大的柔性材料制成，可实现连续变形，并任意改变自身的尺寸和形状。柔性材料的使用使得软体机械臂的质量比传统机械臂轻，并能够安全地与人协作，还具有自主适应不同形状的能力，非常有利于在很多消防工作中一些复杂环境下作业。因为消防无人机需要代替消防救援人员进入易燃易爆、有毒、缺氧、浓烟等危险灾害事故现场进行数据采集、处理和反馈等工作，因此对消防无人机上软体机械臂控制系统的要求越来越高。传统的PID控制是在工业生产过程控制中，应用比较广泛，结构最简单的控制系统之一。因为PID控制具有如下优点：原理简单，使用方便，鲁棒性强，可以广泛应用到各种工业生产控制领域中。鲁棒性强，指的是PID的控制效果对被控对象的特性变化不太敏感，因此具有较强的抗干扰能力。传统的PID控制器参数设计方法有衰减曲线法、临界比例度法、神经网络训练法等。传统的PID控制器较侧重于控制系统的稳态性能，而对系统的动态性能(包括超调量和收敛速度等)则控制不够。如果想要提高响应速度就会使超调量变大，加剧响应振荡；如果想要超调量小，可能又会使响应速度变慢。响应速度与超调量似乎是一对比较矛盾的性能参数，单纯使用传统的PID控制，很难通过简单的参数调试来满足超调量小且快速响应的控制要求，这也为消防救援工作的开展造成了一定的困难。所谓预设性能控制，指的是控制误差的收敛速度及超调量满足预先设定的条件，同时把控制误差收敛到一个预先指定的较小的区域内，能使控制系统的动态性能和稳态性能同时得到满足。Kostarigka、胡云安等介绍了预设性能控制的发展历程及研究现状，阐述了预设性能控制的基本原理，说明了预设性能控制能够解决工业生产及控制器设计中的一些关键技术问题。Theodorakopoulos等针对带输入不确定项和扰动的非线性系统，设计了一种连续的静态状态反馈预设性能控制器，避免用神经网络和模糊控制等方法对系统参数进行估计，也避免了复杂的数学计算，为预设性能控制器的设计拓宽了思路和方法。Li等针对包含不确定项并且有时变延迟和不可测状态的非线性控制系统，提出了一种自适应模糊预设性能控制器。Sui等针对包含饱和不可测状态的非线性随机控制系统，设计了自适应模糊预设性能控制器。陈明等针对具有扰动的非线性控制系统，将预设性能控制和鲁棒控制相结合，设计鲁棒预设性能控制器。Doulgeri等将预设性能控制应用到机械臂力和位置跟踪控制中，保证误差的收敛速度及超调量满足预先设定的条件，同时将系统误差收敛到一个预先指定的任意小的区域内。Doulgeri等将预设性能的概念运用到机器人控制中，能够实现对通用机械臂关节位置的控制。预设性能控制自从希腊学者Bechlioulis等于2008年首次提出以来，获得了十分广泛的应用，但是将预设性能控制系统用于改善消防无人机软体机械臂PID运动控制性能的方案还几乎没有提出。本方案将PID控制与预设性能控制相结合设计出了无人机软体机械臂运动控制器，该控制系统在设计的过程中可以预先设定稳态误差，而不像传统的PID控制器要通过多次的参数整定及调试后才能逐步减少控制误差。因此，本方案提出的控制系统设计过程较简洁方便，具有较精确的控制精度和较快的响应速度，同时还能把超调量控制在合理的范围内，这种基于优化预设性能控制系统的消防无人机软体机械臂设计方案运用于抢险救援中能够起到让人意想不到的作用，可以辅助甚至逐渐取代消防员的部分工作，可以极大地保障消防员的人身安全，这是一项非常重要且很有意义的工作。
技术实现思路
针对以上问题，本专利技术提供基于优化预设性能的消防无人机软体机械臂控制系统，将PID控制与预设性能控制算法相结合，利用PID控制结构和以对数形式误差变换为基础的预设性能函数来设计软体机械臂运动控制器，进而能高效减少软体机械臂的控制误差，提高了消防无人机作业过程中的稳定性和可靠性，本专利提供基于优化预设性能的消防无人机软体机械臂控制系统，所述消防无人机配套软体机械臂，其特征在于：所述消防无人机控制系统包括信息采集模块、软体机器臂控制模块、飞行控制模块、红外热像仪、无线通信模块、遥控器模块、电子调速模块和电源模块；所述的信息采集模块包括烟雾传感器、温度传感器、可燃气体传感器、风向风力传感器、气压传感器和导航定位系统；所述烟雾传感器用于对无人机所处的环境进行中烟雾的浓度进行检测，通过实时检测结果实施相应的救援方案；所述温度传感器用于对无人机所处环境的温度进行检测，对温度进行分析后判断环境的危险等级，进而展开相应的救援；所述可燃气体传感器对空气中的可燃气体进行检测，在危险没有来临前对环境进行风险评估并作出预警；所述风向风力传感器和气压传感器为无人机在空中飞行过程中提供必要的稳定性保障信息；所述导航定位系统采用GPS传感器和九轴传感器获取位置和航向信息；所述的辅助救援模块利用的消防无人机的承载能力，通过消防无人机携带应急救援设备进行救援；所述软体机器臂控制模块包括软体机械臂运动控制器，通过将PID控制与预设性能控制算法相结合，利用PID控制结构和以对数形式误差变换为基础的预设性能函数来进行控制；具体控制系统如下；(1)对于具有N自由度的软体机械臂动力学方程表示为如下形式：式中，q(t)、表示关节的角位移、角速度和角加速度；M(q)∈Rn*n表示机械臂的惯性矩阵；表示哥氏力和离心力向量；CV表示正定的黏性关节摩擦系数矩阵；G(q)∈Rn表示重力向量；F表示外部扰动；Γ∈Rn表示输入力矩向量；(2)消防无人机软体机械臂控制系统，该系统的期望输入关节角位移为qd，输出关节角位移为q，误差变量定义为：e＝q-qd,(e,q,qd∈Rn)；(3)控制目标就是控制误差为了控制五彩更好地趋近于零，引入预设性能控制函数ρ(t)，并有如下关系：-ρi(t)＜ei(t)＜ρi(t),(ei(0)＞0,i＝1,2,...,n)由该关系可知，误差无线本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于优化预设性能的消防无人机软体机械臂控制系统，所述消防无人机配套软体机械臂，其特征在于：/n所述消防无人机控制系统包括信息采集模块、软体机器臂控制模块、飞行控制模块、红外热像仪、无线通信模块、遥控器模块、电子调速模块和电源模块；/n所述的信息采集模块包括烟雾传感器、温度传感器、可燃气体传感器、风向风力传感器、气压传感器和导航定位系统；/n所述烟雾传感器用于对无人机所处的环境进行中烟雾的浓度进行检测，通过实时检测结果实施相应的救援方案；/n所述温度传感器用于对无人机所处环境的温度进行检测，对温度进行分析后判断环境的危险等级，进而展开相应的救援；/n所述可燃气体传感器对空气中的可燃气体进行检测，在危险没有来临前对环境进行风险评估并作出预警；/n所述风向风力传感器和气压传感器为无人机在空中飞行过程中提供必要的稳定性保障信息；/n所述导航定位系统采用GPS传感器和九轴传感器获取位置和航向信息；/n所述的辅助救援模块利用的消防无人机的承载能力，通过消防无人机携带应急救援设备进行救援；/n所述软体机器臂控制模块包括软体机械臂运动控制器，通过将PID控制与预设性能控制算法相结合，利用PID控制结构和以对数形式误差变换为基础的预设性能函数来进行控制；/n具体控制系统如下；/n(1)对于具有N自由度的软体机械臂动力学方程表示为如下形式：/n...

【技术特征摘要】
1.基于优化预设性能的消防无人机软体机械臂控制系统，所述消防无人机配套软体机械臂，其特征在于：
所述消防无人机控制系统包括信息采集模块、软体机器臂控制模块、飞行控制模块、红外热像仪、无线通信模块、遥控器模块、电子调速模块和电源模块；
所述的信息采集模块包括烟雾传感器、温度传感器、可燃气体传感器、风向风力传感器、气压传感器和导航定位系统；
所述烟雾传感器用于对无人机所处的环境进行中烟雾的浓度进行检测，通过实时检测结果实施相应的救援方案；
所述温度传感器用于对无人机所处环境的温度进行检测，对温度进行分析后判断环境的危险等级，进而展开相应的救援；
所述可燃气体传感器对空气中的可燃气体进行检测，在危险没有来临前对环境进行风险评估并作出预警；
所述风向风力传感器和气压传感器为无人机在空中飞行过程中提供必要的稳定性保障信息；
所述导航定位系统采用GPS传感器和九轴传感器获取位置和航向信息；
所述的辅助救援模块利用的消防无人机的承载能力，通过消防无人机携带应急救援设备进行救援；
所述软体机器臂控制模块包括软体机械臂运动控制器，通过将PID控制与预设性能控制算法相结合，利用PID控制结构和以对数形式误差变换为基础的预设性能函数来进行控制；
具体控制系统如下；
(1)对于具有N自由度的软体机械臂动力学方程表示为如下形式：



式中，q(t)、表示关节的角位移、角速度和角加速度；M(q)∈Rn*n表示机械臂的惯性矩阵；表示哥氏力和离心力向量；CV表示正定的黏性关节摩擦系数矩阵；G(q)∈Rn表示重力向量；F表示外部扰动；Γ∈Rn表示输入力矩向量；
(2)消防无人机软体机械臂控制系统，该系统的期望输入关节角位移为qd，输出关节角位移为q，误差变量定义为：
e＝q-qd,(e,q,qd∈Rn)；
(3)控制目标就是控制误差为了控制五彩更好地趋近于零，引入预设性能控制函数ρ(t)，并有如下关系：
-ρi(t)＜ei(t)＜ρi(t),(ei(0)＞0,i＝1,2,...,n)
由该关系可知，误差无线将被限制在-ρ(t)和ρ(t)所包围的区域内，另外，结合函数ρ(t)的递减特性可知，误差e(t)迅速收敛到0的一个极小领域内，因此，通过设定衰减的预设性函数ρi(t)来实现对系统响应误差进行动态性能控制；
(4)基于预设性性能控制原理，设xi＝ei(t)/ρi(t)，引入对数形式的误差变换函数εi(t)＝H[xi(t)]，其中：



式中，Hi[xi(t)],i＝1,2,...,n,可以视为在误差变换函数定义域内递增的双射：
H[xi(t)]:Dxi→R,(1,2,...,n)
式中，Dxi是误差变换函数H[xi(t)]的定义域：



(5)设计软体机械臂预设性能到达点运动控制器，也就是目标位移qd是常数的情况下控制关节角达到预定的位置，该控制器的设计包括以下几个步骤：
对于n个关节机械臂，建立衰减速度相同的预设性能函数，预设性能函数可设为如下形式的衰减函数：
ρi(t)＝[ρi(0)]exp(-lit)+ρi(∞),i＝1,2,...,n
式中：ρi(0)、ρi(∞)、li都为正常数；ρi(0)表示预设性能函数初值且ρi(0)＞ei(0)；ρi(∞)表示稳态误差值；li表示预设性能函数的衰减速度，其值越大系统响应的调节时间越短，该参数虽然在理论上能够取所有大于零的常数，但是在实际运用中必须考虑控制器是否能提供足够的功率来满足系统的需求；
以误差变换函数为基础，结合PID控制规律设计预算性性能PID控制算法，其控制率为：



式中：Kp、Kv为PID参数，Kε为预设性能增益参数，都是正定的对角常数矩阵；当Kε为零时，该控制器就变成单一的PID控制器，JH(t)＝diag[JH1(T),JH2(T),...,JHn]，表示误差转换函数，其中：



预设性能PID控制器主要分为PID控制也预设性能控制两部分，其中预设性能控制部分主要用来提高响应速度和减少超调量；
(6)将控制律式代入机械臂动力学方程得...

【专利技术属性】
技术研发人员：李永琳，姜玉东，杭阿芳，杜鹃，王林娜，顾恒，
申请(专利权)人：金陵科技学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32