基于DES水下机器人协调控制研究.pdfVIP

2000中国控制与决策学术年会论文集 基于DES的水下机器人协调控制研究 蕺学丰王林边信黔 (哈尔滨工程大学动力工程景150001) 摘要提出了利用离散事件幕统(DES)监控理论实现具有多十机械昔水下机毒人协调控制 的方案，并培出了一个设计实例，以说明本文方法的有效性． 关键调束下机嚣人，协调控制．DES，监督控制。多甘协调 l引 言 机器人要完成的许多作业，单臂操作往往是不够的，需要双臂甚至多臂协调操作，例如搬 运、拉锯、安装作业等．和单臂操作相比，双臂操作具有如下特点t两臂的运动必须满足一组运 动约束，称为协调运动；虽然两臂的动力学方程可组合成一个动力学方程，但是维数增加，并且 产生内力(相互)耦合的影响；双臂操作需要增加协调级．多指抓取与双臂协调有相似之处，但 与多臂协调更相近．这些都是机器人研究中有待进一步探索的课题． 水下机器人是在水中运动的具有6个自由度的刚体，同时它又是一个强耦合的非线性系 统．为了描述它的运动和姿态，需要建立两个坐标系：一个是静坐标系，另一个是动坐标系。在 动坐标系中建立控制量(螺旋桨转速、倾斜调节机构行程等)与3个速度分量和3个角速度的 关系，再通过速度关系转化为静坐标系中的速度和相对于静坐标系的姿态角，这就是两组6阶 非线性方程。仅以一类具有两个自由度的机械臂为例，其模型又是一个4阶非线性方程“]，n个 这样的机械臂便有4n个方程，再与潜器的两组方程组合在一起．现有的控制方法很难有效地 进行协调控制． 离散事件系统(DES)监控理论【：’33不仅可以用于那些不能用微分(差分)方程描述的系统 的优化与控制问题，而且可作为高层模型对连续过程进行监控。基于这一点，本文提出了用 DES监控理论实现具有多机械臂机器人协调控制方案，并给出了一个水下模型艇的协调控制 系统实例。 2协调控制策略 在DES监控理论中，被控对象用自动机描述，它是一个5元组 G=(Q，=，d。qQ。) (1) 式中各量同文献[2]。当Q有限时，G能够用一个节点代表状态、边代表转移的有向图来表示． 水下机器人在水中的运动是连续的，其机械手在各自活动范围内的运动也是连续的．为了 用式(1)描述整个水下机器人的运动，把艇体和机械手所在的状态空间划分为有限个区域，这 有限个区域是机器人与目标间的一组相对位置与姿态．划分的原则是为使机械手完成任务，进 行协调时系统必须进入，为不使监控过于复杂，划分得越少越好．用这有限个区域作为Q的元 素．状态的演变由事件驱动，同样分为可控事件集五与不可控事件集：。，由控制计算机发出 793 的控制指令是可控事件，干扰引起的状态转化是不可控事件．a(a，g)是指所有这些状态演化。 整个协调过程中，希望的机器人状态演化由推进器、倾斜调节机构或机械臂的液压控制缸驱 动。 需要强调的是，只有状态由一个已划定的区域到另一个已划定的区域时，才说(离散)状 态发生了改变，而事件(控制)也是针对这种情况定义的．q。是机器人到达目标上方进入动力 定位时的状态，为抵滇干扰，整个协调过程中进行动力定位的推进器始终工作．Q-指标识协调 控制任务完成的状态． 经过如上处理后，机器人的逻辑行为可用语言表示为 L(G)={5Is∈三。，a0，qo)：) (2) L(G)譬X时，分别称K为封闭和可控的。这时 人协调行为可用墨表示，当K一趸和定I乙n 可设计协调层控制器(监控器)审=(s，≯)，这是位于潜器轨迹控制和手臂动作控制层之上的 一层控制，它根据指定的系统行为下达字符型控制指令，由位姿控制器与机械臂控制器分别翻 译成各控制器的动作，使闭环系统S／G的行为L(S／G)一K．这里，S为一个自动机，s一(x， 三，}，z。，x．)，式中各量同文献[2]。≯：Xx五一{o，1)‘是反馈映射，满足如下条件 (V口，卫)(jj)手如，zo)一z^50∈L(G)A．SOt6足=}簪(z，口)；o