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        剛體空間定位問題的最優(yōu)控制研究

        2020-07-16 02:19:58王麗蔡鎖寧
        機(jī)械制造與自動(dòng)化 2020年3期
        關(guān)鍵詞:軌線狀態(tài)方程最優(yōu)控制

        王麗,蔡鎖寧

        (1. 陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 咸陽 712000; 2. 陜汽集團(tuán)商用車有限公司,陜西 寶雞 722405)

        0 引言

        四元數(shù)代數(shù)理論是表示有限轉(zhuǎn)動(dòng)的最簡明方法,因而四元數(shù)在剛體定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)和球面機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及其控制問題的研究中得到了廣泛的應(yīng)用。KIUMARSI B[1]針對存在輸入約束的確定性非線性離散時(shí)間跟蹤控制問題,提出了一種部分無模型自適應(yīng)最優(yōu)控制方法。XIAO G[2]構(gòu)造了由誤差系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和期望軌跡動(dòng)力學(xué)組成的增廣系統(tǒng),研究了一類完全未知?jiǎng)討B(tài)仿射非線性連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的最優(yōu)跟蹤控制問題。KONG Xianwen[3]以四元數(shù)代數(shù)和幾何分析方法給出了歐拉參數(shù)表示的并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程及可操作模式。趙金剛[4]針對運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的非完整性問題,引入效用函數(shù),實(shí)現(xiàn)了非完整運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的最優(yōu)控制。彭海軍[5]利用多體動(dòng)力學(xué)建立系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程,通過引入對目標(biāo)軌跡跟蹤及瞬時(shí)最優(yōu)性能指標(biāo),獲得最優(yōu)控制量。屈秋霞[6]針對非線性連續(xù)系統(tǒng)難以跟蹤時(shí)變軌跡的問題,通過系統(tǒng)變換將其轉(zhuǎn)化為非線性時(shí)不變系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題。賈意弦[7]采用四元數(shù)描述剛體姿態(tài)運(yùn)動(dòng),避免了歐拉角存在的奇異性。史革盟[8]用四元數(shù)表示構(gòu)件的有限轉(zhuǎn)動(dòng),得到四元數(shù)形式的運(yùn)動(dòng)方程。李保坤[9]以單位四元數(shù)描述剛體的姿態(tài),導(dǎo)出Stewart機(jī)構(gòu)處于給定位置時(shí)的姿態(tài)奇異表達(dá)式。程世利[10]采用四元數(shù)表示旋轉(zhuǎn)變換,得到并聯(lián)機(jī)構(gòu)四元數(shù)形式的基本方程和奇異方程。本文將四元數(shù)代數(shù)理論用于剛體的姿態(tài)定位控制,通過不動(dòng)點(diǎn)穩(wěn)定性分析得到解軌線在狀態(tài)空間的變化趨勢及收斂域,建立大范圍漸近穩(wěn)定控制的條件,從微分幾何的角度,分析剛體定位過程解軌線的幾何約束,構(gòu)造最短路徑控制的目標(biāo)泛函,實(shí)現(xiàn)了剛體的快速定位。

        1 剛體有限轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

        根據(jù)剛體無限小旋轉(zhuǎn)變換[11],得式(1):

        (1)

        式中:ξ為四元數(shù)Λ矢量方向的單位矢量;Δθ、ω分別為剛體的無限小轉(zhuǎn)角和角速度。

        由上式可得剛體有限轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程:

        (2)

        按四元數(shù)乘積展開上式,得到四元數(shù)分量形式的一階線性微分方程組:

        (3)

        2 空間定位問題的運(yùn)動(dòng)學(xué)穩(wěn)定控制

        2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)漸近穩(wěn)定控制的條件

        空間定位問題就是改變剛體的角速度ωE,使得與其固連的坐標(biāo)系E與參考坐標(biāo)系I方向一致。

        (4)

        為了滿足式(4)給出的快速定位條件,就要求式(3)中的后3個(gè)關(guān)于λi(i=1,2,3)的微分方程具有李雅普諾夫意義下全局漸近穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)特性。取李雅普諾夫函數(shù)

        對時(shí)間t求導(dǎo),并代入式(3)中的關(guān)系

        (5)

        ωi=-kiλ0λii=1,2,3

        (6)

        式中ki為角速度修正系數(shù)。當(dāng)ki>0時(shí),

        (7)

        符合全局漸近穩(wěn)定條件,式(3)后3個(gè)狀態(tài)方程能從任意初始狀態(tài)收斂到原點(diǎn)。

        2.2 狀態(tài)空間不動(dòng)點(diǎn)穩(wěn)定性分析

        將式(6)代入式(3)可得狀態(tài)方程:

        (8)

        根據(jù)非線性微分方程理論,狀態(tài)方程解分量λi(t),(i=0,1,2,3)都是時(shí)間的單調(diào)增函數(shù)或單調(diào)減函數(shù),由于四元數(shù)Λ范數(shù)恒等于1,其分量函數(shù)λi(t)為有界函數(shù),|λi(t)|≤1,因而從任意初始狀態(tài)出發(fā)的解軌線都將趨近并終止于某個(gè)不動(dòng)點(diǎn)。

        1)ki>0,?i=1,2,3

        (9)

        狀態(tài)方程的解軌線都將趨近并穩(wěn)定到第2類不動(dòng)點(diǎn)[1,0,0,0]T或[-1,0,0,0]T。

        2)ki<0,?i=1,2,3

        (10)

        狀態(tài)方程的解軌線都將趨近并穩(wěn)定到第1類不動(dòng)點(diǎn)[0,λ1,λ2,λ3]T。

        3 剛體定位問題最短路徑控制

        在如上漸進(jìn)控制中,收斂速度取決于修正系數(shù)ki的取值大小,這會(huì)導(dǎo)致定位過程僅是一種可達(dá)路徑并非最短路徑。將狀態(tài)方程的解軌線看作狀態(tài)空間的參數(shù)曲線

        r(t)=[λ0(t),λ3(t),λ3(t),λ3(t)]T

        (11)

        (12)

        定位軌線最短路徑即是沿超球面上過這兩點(diǎn)所在的大圓的劣弧到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)M。超球面上各點(diǎn)向徑具有固定長度:

        解軌線切向量始終與向徑正交。將式(3)的定位過程解軌線弧長取為性能指標(biāo)泛函

        (13)

        式中t0、tf分別為初始和末態(tài)時(shí)刻。末態(tài)時(shí)刻tf不確定,末態(tài)固定λ(tf)=[1,0,0,0]T;L為拉格朗日函數(shù)。

        引入狀態(tài)約束的拉格朗日乘子η(t),將被控系統(tǒng)狀態(tài)方程式(3)和性能指標(biāo)泛函結(jié)合成輔助泛函

        式中H為哈密頓標(biāo)量函數(shù)。

        H[λ(t),ω(t),ηT(t),t]=L[λ(t),ω(t),t]+ηT(t)f[λ,ω,t]

        將J對所有變量tf、λ、ω、η進(jìn)行變分:

        δJ={H[λ(t),ω(t),ηT(t),t]}t=ffδtf+

        根據(jù)泛函極值的必要條件δJ=0可得:

        1) 規(guī)范方程及邊界條件

        (14)

        (15)

        (16)

        2) 極值條件

        (17)

        從中求得控制量

        ω(t)=-|ω(t)|FTη(t)

        (18)

        代入規(guī)范方程式(14)和式(15)得最短路徑控制的狀態(tài)方程:

        (19)

        (20)

        定位過程的弧長只與解軌線的路徑有關(guān),因而角速度|ω(t)|可以取任意正實(shí)數(shù)。

        4 應(yīng)用實(shí)例

        假設(shè)初始時(shí)刻與剛體固連的動(dòng)坐標(biāo)系對參考坐標(biāo)系的偏差四元數(shù)

        Λ(t0)=[0.36,-0.30,0.48,-0.73]T

        取角速度修正系數(shù)k1=4.0,k2=6.0,k3=8.0,求解剛體運(yùn)動(dòng)微分方程式(8),得到偏差四元數(shù)的解軌線變化趨勢,如圖1所示。

        圖1 偏差四元數(shù)的解軌跡

        偏差四元數(shù)的分量以近似于指數(shù)函數(shù)的速度趨近目標(biāo)值,在控制作用2s后,偏差縮小到10-6的范圍之內(nèi)。為了驗(yàn)證不動(dòng)點(diǎn)的穩(wěn)定性,取狀態(tài)空間某個(gè)半徑0<|r(t)|<1超球面上的點(diǎn)作為初始偏差,求解剛體狀態(tài)空間方程式(8)的解軌線,給出了解軌線在λ0-λ1平面上的投影。當(dāng)ki>0,?i=1,2,3,對于所有初始偏差λ0<0解軌線都趨近并穩(wěn)定到第2類不動(dòng)點(diǎn)[-1,0,0,0]T,對于所有λ0>0解軌線都趨近并穩(wěn)定到第2類不動(dòng)點(diǎn)[1,0,0,0]T,它們是穩(wěn)定的不動(dòng)點(diǎn),如圖2所示。當(dāng)ki<0, ?i=1,2,3,所有解軌線都趨近并穩(wěn)定到第1類不動(dòng)點(diǎn)[0,λ1,λ2,λ3]T,如圖3所示。

        圖2 狀態(tài)空間穩(wěn)定的第2類不動(dòng)點(diǎn)

        圖3 狀態(tài)空間穩(wěn)定的第1類不動(dòng)點(diǎn)

        對剛體按式(19)和式(20)的規(guī)范方程及其邊界條件式(16)進(jìn)行最優(yōu)控制,得到偏差四元數(shù)的解軌線,如圖4所示。

        圖4 最優(yōu)控制下偏差四元數(shù)的解軌線

        5 結(jié)語

        1) 利用四元數(shù)分量表示純轉(zhuǎn)動(dòng)剛體定位偏差,并作為被控制量實(shí)現(xiàn)對剛體有限轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行大范圍漸進(jìn)穩(wěn)定的控制。

        2) 對狀態(tài)方程不動(dòng)點(diǎn)的穩(wěn)定性分析,得到剛體定位過程中狀態(tài)方程的解軌線在不動(dòng)點(diǎn)鄰域的變化趨勢,導(dǎo)出剛體趨近并定位到目標(biāo)姿態(tài)的收斂條件。結(jié)果表明,定位過程被控制量以指數(shù)函數(shù)的速度趨近目標(biāo)值。

        3) 結(jié)合剛體定位和姿態(tài)控制問題的一般特點(diǎn),從微分幾何的角度,分析了定位過程解軌線滿足的幾何約束,構(gòu)造出量化最短路徑控制的目標(biāo)泛函,導(dǎo)出最優(yōu)控制應(yīng)該滿足的狀態(tài)方程、邊界條件和極值條件,進(jìn)而將剛體定位最優(yōu)控制問題處理為一階非線性微分方程的兩點(diǎn)邊值問題。

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