[發(fā)明專利]一種基于粒子濾波算法的空間機械臂故障檢測方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810883670.0
• 申請日: 2018-08-06
• 公開（公告）號: CN108972553B
• 公開（公告）日: 2021-08-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 高欣;翟林;任澤宇;劉惠禾
• 申請（專利權(quán)）人: 北京郵電大學(xué)
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明公開了一種基于粒子濾波算法的空間機械臂故障檢測方法。包括：基于空間機械臂動力學(xué)解析模型設(shè)計非線性干擾觀測器，在此基礎(chǔ)上選取李雅普諾夫函數(shù)證明其收斂；然后設(shè)計滑模變結(jié)構(gòu)控制器對干擾觀測器所得結(jié)果進(jìn)行補償，得到空間機械臂的關(guān)節(jié)角度；由于傳感器測量值與關(guān)節(jié)角實際值之間存在噪聲，使用粒子濾波算法對傳感器測量結(jié)果進(jìn)行評估，計算空間機械臂達(dá)到目標(biāo)關(guān)節(jié)角度的概率，結(jié)合干擾觀測器曲線和計算得到的概率值，綜合評價故障的發(fā)生。與其他故障檢測方法相比，本發(fā)明所提出的故障檢測方法可以避免故障閾值的設(shè)定，提高故障診斷的準(zhǔn)確率。

【技術(shù)領(lǐng)域】

本發(fā)明屬于自動化控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及干擾觀測器和滑模變結(jié)構(gòu)控制，具體是一種基于粒子濾波算法的空間機械臂故障檢測方法。

【背景技術(shù)】

由于其所處工作環(huán)境惡劣，加之宇宙環(huán)境的干擾，空間機械臂關(guān)節(jié)故障時有發(fā)生。未能及時準(zhǔn)確的判斷出故障關(guān)節(jié)，調(diào)整機械臂控制策略將導(dǎo)致其任務(wù)失敗，甚至損壞機械臂自身。

機械臂的故障檢測方法大抵可以分為兩類：基于知識的故障診斷方法根據(jù)系統(tǒng)在正常工作和故障狀況下的歷史數(shù)據(jù)，構(gòu)成先驗知識數(shù)據(jù)庫，再根據(jù)一些智能推理規(guī)則推斷系統(tǒng)是否發(fā)生了故障。然而大量的數(shù)據(jù)運算超越了星載計算機的能力范圍；另一種是基于解析模型的故障診斷方法，其基本思想是將正常工作狀態(tài)時數(shù)學(xué)模型的輸出值和傳感器測量輸出值進(jìn)行比較并產(chǎn)生一個殘差信號。故障閾值的設(shè)定影響了故障診斷的準(zhǔn)確率，但故障閾值的大小是一個很難選擇的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

有鑒于此，鑒于上述的故障診斷方法所存在的問題，本發(fā)明提出一種基于粒子濾波算法的空間機械臂故障診斷方法，包括：

第一步：基于空間機械臂動力學(xué)模型設(shè)計非線性干擾觀測器，在此基礎(chǔ)上選取李雅普諾夫函數(shù)證明其收斂；

第二步：設(shè)計滑模變結(jié)構(gòu)控制器對干擾觀測器的結(jié)果進(jìn)行補償，得到空間機械臂的關(guān)節(jié)角度；

第三步：使用粒子濾波算法中對傳感器測量結(jié)果進(jìn)行評估計算空間機械臂達(dá)到目標(biāo)關(guān)節(jié)角的概率，結(jié)合干擾觀測器曲線和計算得到的概率值，綜合評價故障的發(fā)生。

進(jìn)一步的，第一步中設(shè)計干擾觀測器對空間機械臂系統(tǒng)進(jìn)行檢測的具體方法是：

建立空間機械臂動力學(xué)模型如下所示：

其中，M(θ)∈R^3×3為機械臂的慣性矩陣；代表其離心力和科里奧利力；θ∈R³，τ∈R³分別代表機械臂關(guān)節(jié)角度、角速度以及控制輸入力矩；d∈R³為外界空間干擾及關(guān)節(jié)電機故障。

觀測器的基本思想是用估計輸出和實際輸出的差值對估計值進(jìn)行修正，即：

因此干擾觀測器設(shè)計為：

其中，d為干擾矢量實際值，為干擾矢量估計值，z為輔助參數(shù)向量，為輔助參數(shù)向量關(guān)于時間的導(dǎo)數(shù)，θ為關(guān)節(jié)角度，為關(guān)節(jié)角速度，L(θ)、分別是關(guān)于關(guān)節(jié)角度和關(guān)節(jié)角速度的增益矩陣，二者定義如下：

所述X為可逆矩陣，通過李雅普諾夫函數(shù)得到的線性矩陣不等式(7)求得。

令上述表達(dá)式構(gòu)成了非線性干擾觀測器。實際工程中一般很難獲得干擾d的微分先驗知識，且相對于觀測器的動態(tài)特性，干擾的變化是緩慢的，取

針對本發(fā)明提出的空間機械臂系統(tǒng)，設(shè)計李雅普諾夫函數(shù)為

其中表示觀測器干擾觀測誤差。

將帶入式(2)并化簡，可得