实例介绍
【实例简介】
移动机械臂动力学控制与基于视觉的物体抓取
Y1909170 Dissertation Submitted to hangzhou dianzi University for the Degree of master Visual Based Object Grasping and dynamic Control for Mobile manipulator Candidate: Chen Jianye Supervisor: Prof. Liu Shirong November, 2010 杭州电子科技大学 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得 的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处,本人承担一切相关责任。 论文作者签名: 陶建业日期x2年|月∥日 学位论文使用授权说明 本人完全了解杭州电子科技大学关于保留和使用学位论文的规定,即:研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属杭州电子科技大学。本人保证毕业离校后,发表论文或 使用论文工作成果时署名单位仍然为杭州电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件, 允许查阅和借阅论文;学校可以公布论文的全部或部分内容,可以允许采用影印、缩印或其 它复制手段保存论文。(保密论文在解密后遵守此规定) 论文作者签名: 陈建业 日期:701年|月刂日 指导教师签名 t 日期o年1月日 杭州电子科技大学硕士学位论文 摘要 最近几十年,机器人技术蓬勃发展,迅速运用到各个领域中,极大地促进了社会生产力 的发展并提高了人们的生活水平。移动机械臂兼有移动机器人的感知环境、定位导航、自主 移动等智能和机槭臂的灵活操作能力,功能强大,应用领域广阔。移动机械臂是复杂的强耦 合非线性系统,是当前机器人领域的一个研究热点。本文以移动机械臂的动力学控制和视觉 伺服为研究内容,重点研究带不确定性的机械臂的轨迹跟踪控制问题,并根据实际需要研究移 动机械臂的视觉伺服问题。 针对机械臂旋转俯仰模块的动力学控制问题,本文提出了一种二阶滑模控制器的设计方 法。充分利用了滑模控制器所具有的鲁棒特性,同时将切换律隐藏到积分器中来获取连续控 制信号,很好的抑制了高频抖振。对二阶滑模控制方法的设计细节提出改进,提出了积分初 始值的选取、虚拟控制律的选择、在虚拟控制律中使用饱和函数等策略。改进后的控制器将 抖振问题进一步减小,同时降低了稳态误差。并且新的方法可以设计低频的控制器,从而使 控制器对硬件的限制放宽。仿真结果证明了该设计方法的正确有效,所提的几点改进都具有 显著的成效。 对多自由度刚性不确定性机械臂的轨迹跟踪问题,提出了一种新的模糊自适应动态面控 制策略。以模糊系统自适应逼近系统的不确定性,获取不确定性的精确值,从而得到机椃臂 系统的准确描述,进而利用动态面控制方法设计控制器。通过对准确描述的机械臂设计控制 器,可以达到精确的控制,不仅可以保证系统的稳定性,还可以获得比较高的精度。并在理 论上证明了所设计控制器的稳定性。仿真结果表明所提的控制策略对于建模误差、外部扰动、 负载变化等不确定性具有很强的鲁棒性,验证了该方法的有效性。 对移动机械臂的视觉伺服控制问题,根据实际应用需要,设计了一个移动机械臂的“手” “眼”、“脚”综合规划控制演示实例:以摄像机拍摄的视频图像搜寻目标,并移动过去把目 标取回。提出了把任务分解,对移动小车和机械臂进行分散规划与控制的策略:以基于图像 的视觉伺服方法控制移动小车的运动,通过视觉信息校正移动小车的运动轨迹;以基于位置 的视觉伺服方法规划机械臂的运动,驱动机械臂去抓取物体。移动小车直接以图像来校正移 动小车的运动轨迹;机械臂以末端的无线摄像机拍摄的图像对目标进行准确定位,计算目标 的位置,继而规划机械臂的运动并实施。所设计的方案最后在实体移动杋械臂MTAm上试 验通过。 关键词ε移动杋械臂,动力学控制,二阶滑模控制,动态面控制,视觉伺服控制 杭州电子科技人学硕士学位论文 ABSTRACT During recent decades, with its rapid development and wide usage in various areas, robotic technology promotes the development of social productive force enormously and improves the people' s living standards extensively. Combining abilities of mobile robotics'perception, orientation navigation, autonomous mobility and flexible operation ability, mobile manipulators are widely used. However, mobile manipulator is a complexly nonlinear system with strong coupling, but also a hot spot in robotics research area presently. therefore, based on issues of the motion planning an dynamic control of manipulators, this thesis mainly investigates trajectory tracking of manipulators with uncertainties. Moreover, in order to meet a mobile manipulators application, the visual servo control of mobile manipulators is studied Firstly, a new second order sliding mode control method for robust control of pan-tilt joint of modular manipulator, which makes use of robustness of sliding mode control and hides the switch control law into the integrator to get a continuous control signal, is proposed. Therefore, the high frequency chatter in sliding mode control method can be restrained. Moreover, by choosing integrator initial values, selecting virtual control law, and using saturation function in virtual control law, this thesis improves the method of designing second order sliding mode control. The modified controller reduces chatter problems and steady-state errors. Also, one can design a low frequency controller by using the proposed method, which relaxes the limit of hardware equipment for controllers. Furthermore, simulation results demonstrate the validity and effectiveness of proposed control method Secondly, to deal with trajectory tracking problems of n-link rigid manipulators with uncertainties, a new adaptive fuzzy dynamic surface control strategy is presented. Initially, an adaptive fuzzy system is utilized to approach uncertainties of the original system. At the same time, an accurate mathematic model of manipulator can be obtained. Then the controller of the obtained model can be designed via the dynamic surface control method. Consequently, this approach can not only ensure the stability of the system, but also get higher accuracy. Moreover, the stability of the system is strictly proved in theory. And simulation results are given to show the strong robustness for uncertainties caused by modeling error, external disturbance, load fluctuation, and the effectiveness of the proposed control strategy. Lastly, aimed at practical application, an integrated planning and control demo of mobile manipulator is raised. In this demo, the"hand","eye!"and"foot"of mobile manipulator work 【实例截图】
【核心代码】
移动机械臂动力学控制与基于视觉的物体抓取
Y1909170 Dissertation Submitted to hangzhou dianzi University for the Degree of master Visual Based Object Grasping and dynamic Control for Mobile manipulator Candidate: Chen Jianye Supervisor: Prof. Liu Shirong November, 2010 杭州电子科技大学 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得 的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处,本人承担一切相关责任。 论文作者签名: 陶建业日期x2年|月∥日 学位论文使用授权说明 本人完全了解杭州电子科技大学关于保留和使用学位论文的规定,即:研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属杭州电子科技大学。本人保证毕业离校后,发表论文或 使用论文工作成果时署名单位仍然为杭州电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件, 允许查阅和借阅论文;学校可以公布论文的全部或部分内容,可以允许采用影印、缩印或其 它复制手段保存论文。(保密论文在解密后遵守此规定) 论文作者签名: 陈建业 日期:701年|月刂日 指导教师签名 t 日期o年1月日 杭州电子科技大学硕士学位论文 摘要 最近几十年,机器人技术蓬勃发展,迅速运用到各个领域中,极大地促进了社会生产力 的发展并提高了人们的生活水平。移动机械臂兼有移动机器人的感知环境、定位导航、自主 移动等智能和机槭臂的灵活操作能力,功能强大,应用领域广阔。移动机械臂是复杂的强耦 合非线性系统,是当前机器人领域的一个研究热点。本文以移动机械臂的动力学控制和视觉 伺服为研究内容,重点研究带不确定性的机械臂的轨迹跟踪控制问题,并根据实际需要研究移 动机械臂的视觉伺服问题。 针对机械臂旋转俯仰模块的动力学控制问题,本文提出了一种二阶滑模控制器的设计方 法。充分利用了滑模控制器所具有的鲁棒特性,同时将切换律隐藏到积分器中来获取连续控 制信号,很好的抑制了高频抖振。对二阶滑模控制方法的设计细节提出改进,提出了积分初 始值的选取、虚拟控制律的选择、在虚拟控制律中使用饱和函数等策略。改进后的控制器将 抖振问题进一步减小,同时降低了稳态误差。并且新的方法可以设计低频的控制器,从而使 控制器对硬件的限制放宽。仿真结果证明了该设计方法的正确有效,所提的几点改进都具有 显著的成效。 对多自由度刚性不确定性机械臂的轨迹跟踪问题,提出了一种新的模糊自适应动态面控 制策略。以模糊系统自适应逼近系统的不确定性,获取不确定性的精确值,从而得到机椃臂 系统的准确描述,进而利用动态面控制方法设计控制器。通过对准确描述的机械臂设计控制 器,可以达到精确的控制,不仅可以保证系统的稳定性,还可以获得比较高的精度。并在理 论上证明了所设计控制器的稳定性。仿真结果表明所提的控制策略对于建模误差、外部扰动、 负载变化等不确定性具有很强的鲁棒性,验证了该方法的有效性。 对移动机械臂的视觉伺服控制问题,根据实际应用需要,设计了一个移动机械臂的“手” “眼”、“脚”综合规划控制演示实例:以摄像机拍摄的视频图像搜寻目标,并移动过去把目 标取回。提出了把任务分解,对移动小车和机械臂进行分散规划与控制的策略:以基于图像 的视觉伺服方法控制移动小车的运动,通过视觉信息校正移动小车的运动轨迹;以基于位置 的视觉伺服方法规划机械臂的运动,驱动机械臂去抓取物体。移动小车直接以图像来校正移 动小车的运动轨迹;机械臂以末端的无线摄像机拍摄的图像对目标进行准确定位,计算目标 的位置,继而规划机械臂的运动并实施。所设计的方案最后在实体移动杋械臂MTAm上试 验通过。 关键词ε移动杋械臂,动力学控制,二阶滑模控制,动态面控制,视觉伺服控制 杭州电子科技人学硕士学位论文 ABSTRACT During recent decades, with its rapid development and wide usage in various areas, robotic technology promotes the development of social productive force enormously and improves the people' s living standards extensively. Combining abilities of mobile robotics'perception, orientation navigation, autonomous mobility and flexible operation ability, mobile manipulators are widely used. However, mobile manipulator is a complexly nonlinear system with strong coupling, but also a hot spot in robotics research area presently. therefore, based on issues of the motion planning an dynamic control of manipulators, this thesis mainly investigates trajectory tracking of manipulators with uncertainties. Moreover, in order to meet a mobile manipulators application, the visual servo control of mobile manipulators is studied Firstly, a new second order sliding mode control method for robust control of pan-tilt joint of modular manipulator, which makes use of robustness of sliding mode control and hides the switch control law into the integrator to get a continuous control signal, is proposed. Therefore, the high frequency chatter in sliding mode control method can be restrained. Moreover, by choosing integrator initial values, selecting virtual control law, and using saturation function in virtual control law, this thesis improves the method of designing second order sliding mode control. The modified controller reduces chatter problems and steady-state errors. Also, one can design a low frequency controller by using the proposed method, which relaxes the limit of hardware equipment for controllers. Furthermore, simulation results demonstrate the validity and effectiveness of proposed control method Secondly, to deal with trajectory tracking problems of n-link rigid manipulators with uncertainties, a new adaptive fuzzy dynamic surface control strategy is presented. Initially, an adaptive fuzzy system is utilized to approach uncertainties of the original system. At the same time, an accurate mathematic model of manipulator can be obtained. Then the controller of the obtained model can be designed via the dynamic surface control method. Consequently, this approach can not only ensure the stability of the system, but also get higher accuracy. Moreover, the stability of the system is strictly proved in theory. And simulation results are given to show the strong robustness for uncertainties caused by modeling error, external disturbance, load fluctuation, and the effectiveness of the proposed control strategy. Lastly, aimed at practical application, an integrated planning and control demo of mobile manipulator is raised. In this demo, the"hand","eye!"and"foot"of mobile manipulator work 【实例截图】
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