[发明专利]基于优化预设性能的消防无人机软体机械臂控制系统

说明书

基于优化预设性能的消防无人机软体机械臂控制系统，预设性能控制系统是一种通过控制误差的收敛速度及超调量满足预先设定的条件，同时把控制误差收敛到一个预先指定的比较小的区域内的控制系统，具有较精确的控制精度和较快的响应速度。本方案将PID控制与预设性能控制系统相结合，利用PID控制结构和以对数形式误差变换为基础的预设性能函数来设计软体机械臂运动控制器，进而能高效减少软体机械臂的控制误差，有效提高了消防无人机作业过程中的稳定性和可靠性。

技术领域

本发明属于消防无人机领域，涉及基于优化预设性能的消防无人机软体机械臂控制系统。

背景技术

随着科技的发展，软体机械臂已经广泛运用于医疗、救援、工业、农业等多种领域。随着各种安全事故的种类以及发生率都不断增长，各种化学危险品以及放射性物质的泄漏、燃烧甚至是爆炸等情况不时出现，再加上一些坍塌事故等，人类社会面临的安全隐患也在不断增加。这类事故一旦发生就需要消防员来进行紧急救援，救援难度不断增加，在执行救援任务时，如果没有相应设备的辅助，极可能对消防员的安全造成威胁，救援工作可能也并不会顺利开展。随着科技的发展，安装有软体机械臂的消防无人机的出现在抢险救援中表现出了极大的优越性和安全性。

大多数传统的机械臂是由硬质材料制成的，虽然输出力量大、速度快和精度高，但传统机械臂的结构复杂，灵活性差，使其不能穿过狭窄的空间，也不能适应形状复杂的通道，对很多消防救援工作的开展造成了一定的困难，促使越来越多的研究人员开发出了软体机械臂，并取得了巨大的进步。软体机械臂主体材料采用变形较大的柔性材料制成，可实现连续变形，并任意改变自身的尺寸和形状。柔性材料的使用使得软体机械臂的质量比传统机械臂轻，并能够安全地与人协作，还具有自主适应不同形状的能力，非常有利于在很多消防工作中一些复杂环境下作业。

因为消防无人机需要代替消防救援人员进入易燃易爆、有毒、缺氧、浓烟等危险灾害事故现场进行数据采集、处理和反馈等工作，因此对消防无人机上软体机械臂控制系统的要求越来越高。传统的PID控制是在工业生产过程控制中，应用比较广泛，结构最简单的控制系统之一。因为PID控制具有如下优点：原理简单，使用方便，鲁棒性强，可以广泛应用到各种工业生产控制领域中。鲁棒性强，指的是PID的控制效果对被控对象的特性变化不太敏感，因此具有较强的抗干扰能力。传统的PID控制器参数设计方法有衰减曲线法、临界比例度法、神经网络训练法等。传统的PID控制器较侧重于控制系统的稳态性能，而对系统的动态性能(包括超调量和收敛速度等)则控制不够。如果想要提高响应速度就会使超调量变大，加剧响应振荡；如果想要超调量小，可能又会使响应速度变慢。响应速度与超调量似乎是一对比较矛盾的性能参数，单纯使用传统的PID控制，很难通过简单的参数调试来满足超调量小且快速响应的控制要求，这也为消防救援工作的开展造成了一定的困难。

所谓预设性能控制，指的是控制误差的收敛速度及超调量满足预先设定的条件，同时把控制误差收敛到一个预先指定的较小的区域内，能使控制系统的动态性能和稳态性能同时得到满足。Kostarigka、胡云安等介绍了预设性能控制的发展历程及研究现状，阐述了预设性能控制的基本原理，说明了预设性能控制能够解决工业生产及控制器设计中的一些关键技术问题。Theodorakopoulos等针对带输入不确定项和扰动的非线性系统，设计了一种连续的静态状态反馈预设性能控制器，避免用神经网络和模糊控制等方法对系统参数进行估计，也避免了复杂的数学计算，为预设性能控制器的设计拓宽了思路和方法。Li等针对包含不确定项并且有时变延迟和不可测状态的非线性控制系统，提出了一种自适应模糊预设性能控制器。Sui等针对包含饱和不可测状态的非线性随机控制系统，设计了自适应模糊预设性能控制器。陈明等针对具有扰动的非线性控制系统，将预设性能控制和鲁棒控制相结合，设计鲁棒预设性能控制器。Doulgeri等将预设性能控制应用到机械臂力和位置跟踪控制中，保证误差的收敛速度及超调量满足预先设定的条件，同时将系统误差收敛到一个预先指定的任意小的区域内。Doulgeri等将预设性能的概念运用到机器人控制中，能够实现对通用机械臂关节位置的控制。