挖掘机器人系统建模 辨识与运动控制

第1章 绪论 1

1.1 工程机械与机器人技术 1

1.2 挖掘机器人运动控制研究目的与意义 2

1.3 挖掘机器人研究综述 4

1.3.1 挖掘机器人概述 4

1.3.2 挖掘机器人智能规划控制 5

1.3.3 挖掘机器人运动控制 6

1.4 相关理论与技术研究现状 9

1.4.1 电液伺服系统建模、辨识与控制研究现状 9

1.4.2 机械臂动力学参数辨识与控制研究现状 13

1.5 本书体系结构 15

1.5.1 总体思路 15

1.5.2 体系结构 16

第2章 挖掘机器人电液伺服系统建模与动态特性分析 18

2.1 机器人化液压挖掘机 18

2.1.1 挖掘机器人电液控制系统 18

2.1.2 挖掘机器人网络监控系统 20

2.2 挖掘机器人电液伺服系统分段线性模型 23

2.2.1 电液比例阀简化模型 23

2.2.2 阀控非对称缸分段传递函数 23

2.2.3 挖掘机器人电液伺服系统分段传递函数仿真与试验分析 28

2.3 挖掘机器人电液伺服系统非线性建模 29

2.3.1 电液伺服系统非线性状态空间模型 30

2.3.2 系统非线性动态特性的仿真与试验分析 33

2.4 本章小结 37

第3章 挖掘机器人电液伺服系统辨识 38

3.1 基于神经网络的电液伺服系统状态空间模型辨识 38

3.1.1 电液伺服系统的简化状态空间模型 38

3.1.2 DRNN神经网络辨识Jacobian 39

3.1.3 辨识试验与验证 41

3.2 基于BLON模型的电液伺服系统非线性辨识 43

3.2.1 挖掘机器人电液伺服系统的BLON类模型表示 44

3.2.2 改进的最小二乘辨识算法 45

3.2.3 辨识试验对比分析 48

3.3 基于P-H-W模型的非线性辨识 51

3.3.1 系统的P-H-W模型表示 51

3.3.2 递推辨识算法 52

3.3.3 辨识试验结果分析 53

3.4 本章小结 55

第4章 挖掘机械臂运动学、动力学建模及其轨迹规划 57

4.1 运动学建模 57

4.1.1 运动学空间划分 57

4.1.2 工作装置运动学模型 58

4.2 动力学建模 63

4.2.1 基于拉格朗日法的二自由度动力学方程 64

4.2.2 基于牛顿-欧拉法的三自由度动力学方程 65

4.3 挖掘机械臂轨迹规划 69

4.3.1 机器人轨迹规划概述 69

4.3.2 混合空间轨迹规划及其盲位盲角分析 70

4.3.3 基于三维实体模型的轨迹离线规划 73

4.4 本章小结 74

第5章 挖掘机械臂动力学模型参数辨识 76

5.1 单关节动力学参数辨识 76

5.1.1 斗杆关节动力学模型参数辨识 76

5.1.2 铲斗关节动力学模型参数辨识与摩擦模型分析 80

5.2 挖掘机械臂的二自由度动力学参数辨识 86

5.2.1 二自由度动力学模型化简 87

5.2.2 辨识试验结果分析 89

5.3 本章小结 91

第6章 挖掘机器人工作装置运动控制策略研究 92

6.1 挖掘机器人作业轨迹跟踪的分段PID控制 92

6.1.1 分段PID控制策略 92

6.1.2 分段PID控制试验分析 93

6.2 挖掘机器人作业的单神经元自适应PID控制 96

6.2.1 单神经元PID控制算法 96

6.2.2 单神经元PID控制仿真 97

6.3 本章小结 98

第7章 挖掘机器人作业的非线性预测控制 100

7.1 线性预测控制算法 100

7.1.1 线性预测模型及其参数在线估计算法 101

7.1.2 j步最优预测 101

7.1.3 Diophantine方程的递推算法 103

7.1.4 多步预测自校正控制算法 105

7.2 基于Hammerstein模型的非线性预测控制 108

7.2.1 Hammerstein预测模型 108

7.2.2 非线性预测控制自适应算法 110

7.2.3 挖掘机器人作业的非线性预测控制仿真 114

7.3 挖掘机器人作业的非线性预测控制试验研究 118

7.3.1 控制试验准备 118

7.3.2 试验结果分析 119

7.4 本章小结 121

附录1 最小二乘法 122

附录2 挖掘机械臂运动学参数 123

附录3 基于牛顿-欧拉法的挖掘机械臂动力学建模 125

参考文献 136