[發(fā)明專利]基于Koopman算子的全方位移動機(jī)械臂數(shù)據(jù)驅(qū)動模型預(yù)測控制方法

在審

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• 申請日: 2020-08-10
• 公開（公告）號: CN112016194A
• 公開（公告）日: 2020-12-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馬書根;張統(tǒng);任超
• 申請（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F111/04
• 代理公司: 天津市三利專利商標(biāo)代理有限公司 12107
• 代理人: 韓新城

本發(fā)明提供一種基于Koopman算子的全方位移動機(jī)械臂數(shù)據(jù)驅(qū)動模型預(yù)測控制方法，包括步驟：步驟一：利用能夠激發(fā)機(jī)器人動力學(xué)特性的控制輸入進(jìn)行全方位移動機(jī)械臂輸入輸出數(shù)據(jù)的采集，將控制輸入數(shù)據(jù)與位姿輸出數(shù)據(jù)建立為數(shù)據(jù)集；步驟二：基于Koopman算子理論，在所述數(shù)據(jù)集的基礎(chǔ)上，利用擴(kuò)展動力學(xué)模態(tài)分解方法求解Koopman算子高維線性模型；步驟三：給定參考軌跡，然后設(shè)計(jì)性能指標(biāo)函數(shù)和相應(yīng)的約束條件，借助Koopman算子高維線性模型設(shè)計(jì)模型預(yù)測控制器,從而使得移動機(jī)械臂的各個狀態(tài)跟隨期望軌跡。本發(fā)明利用Koopman算子能夠?qū)⒎蔷€性系統(tǒng)辨識為高維線性模型的特性，得到全方位移動機(jī)械臂這一強(qiáng)非線性系統(tǒng)的高維線性表示，并與模型預(yù)測控制技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對全方位移動機(jī)械臂的有效控制。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及全方位移動機(jī)械臂控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于Koopman算子的全方位移動機(jī)械臂數(shù)據(jù)驅(qū)動模型預(yù)測控制方法。

背景技術(shù)

全方位移動機(jī)械臂由全方位移動平臺與固定在移動平臺上的機(jī)械臂組成，兼具全方位移動平臺的廣闊操作空間和機(jī)械臂的操作靈活性，廣泛應(yīng)用在工業(yè)制造、太空探索及勘探資源等領(lǐng)域。與非完整移動平臺相比，全方位移動平臺能在不改變輪子方向的情況下向任意方向運(yùn)動，具有更好的運(yùn)動靈活性。軌跡跟蹤能力是其完成指定任務(wù)的重要組成部分，由于全方位移動機(jī)械臂的動力學(xué)模型非線性強(qiáng)、耦合度高等特點(diǎn)，建立精確的動力學(xué)模型非常困難，機(jī)理法建模耗時(shí)且分析困難，得到的模型往往精確度不高，對最終的控制精度有很大的影響，不精確的模型甚至?xí)?dǎo)致全方位移動機(jī)械臂軌跡跟蹤控制任務(wù)失敗。

當(dāng)前的控制方法均有各自的局限性，絕大部分的研究工作控制器設(shè)計(jì)均需動力學(xué)模型信息，但實(shí)際應(yīng)用中精確模型難以獲得，而且控制器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，計(jì)算量大，調(diào)參工作繁重。對系統(tǒng)本身產(chǎn)生的數(shù)據(jù)得不到有效利用，且目前的大多數(shù)算法都無法有效處理機(jī)器人系統(tǒng)的狀態(tài)和控制量的約束，限制了實(shí)際場合中的進(jìn)一步應(yīng)用。

發(fā)明目的

本發(fā)明的目的是為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種基于Koopman算子的全方位移動機(jī)械臂數(shù)據(jù)驅(qū)動模型預(yù)測控制方法，是利用Koopman算子能夠?qū)⒎蔷€性系統(tǒng)辨識為高維線性模型的特性，得到全方位移動機(jī)械臂這一強(qiáng)非線性系統(tǒng)的高維線性表示，并與模型預(yù)測控制技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對全方位移動機(jī)械臂的有效控制。

為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的所采取的技術(shù)方案如下：

基于Koopman算子的全方位移動機(jī)械臂數(shù)據(jù)驅(qū)動模型預(yù)測控制方法，包括步驟：

步驟1：利用能夠激發(fā)機(jī)器人動力學(xué)特性的控制輸入進(jìn)行輸入輸出數(shù)據(jù)的采集，利用產(chǎn)生的輸出數(shù)據(jù)與控制輸入數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)集。

全方位移動機(jī)械臂動力學(xué)模型如下：

式中，表示世界坐標(biāo)系下機(jī)器人的位姿，[·]^T表示矩陣的轉(zhuǎn)置，如圖1所示，x、y為機(jī)器人質(zhì)心O_M在世界坐標(biāo)系O_WX_WY_WZ_W下的位置，為X_W方向和X_M方向夾角，連桿l₁與水平面的夾角為θ₁，連桿l₂與Z_M方向的夾角為θ₂，連桿l₁和連桿l₂分別由兩個電機(jī)提供驅(qū)動力矩；M∈R^5×5表示一個慣性矩陣，∈表示集合間的“屬于”關(guān)系，R^5×5表示5行5列的實(shí)數(shù)矩陣；C∈R^5×5表示離心力和哥氏力矩陣；G∈R^5×1表示模型的重力項(xiàng)；u∈R^5×1表示控制輸入，B∈R^5×5為輸入轉(zhuǎn)換矩陣。