基于动量矩归约模型的球形检测机器人曲线运动鲁棒动态逆控制方法研究

A robust dynamic inversion control method for curvilinear motion of an inspection spherical robot based on the reduction model of moment of momentum is proposed. On the basis of “ball-plate” theory, the scheme of dynamics chain system is designed, the friction force is compensated by dynamic LuGre model, and the gyro force generated by Coriolis acceleration is compensated by the reduction model of moment of momentum. A Gauss function based smooth trajectory motion planning method of drive unit is designed to keep instability away from abrupt change of the initial force. The velocity compensation is realized by variable parameter control at the specific time. A robust dynamic inversion control method is proposed, in which the closed-loop control of the radius of trajectory and the velocity is achieved by the combination of sine control function and follow-up control. According to the expected trajectory, the dynamic differential system is constructed by the dynamic inversion control method to avoid solving complicated dynamic function, which could reduce the nonlinearity of the system. Based on the quantitative feedback theory, the robust controller is built to overcome the sensitivity of perturbation and lack of robustness of the system parameters. The target is to propose a curvilinear motion control method for a spherical robot to achieve curvilinear motion with continuous trajectory, controllable velocity of relative error less than 2% and radius of relative error less than 1%.

提出一种基于动量矩归约模型的球形检测机器人曲线运动鲁棒动态逆控制方法。以“球-平面”系统理论为核心设计动力学链系统结构，采用动态LuGre模型进行摩擦力补偿，并通过动量矩归约模型补偿科氏加速度引起的陀螺力；设计基于高斯函数的驱动单元平滑轨迹规划方法防止惯性力突变使系统失稳，并通过特殊时间点的变参数控制实现对机器人的速度补偿；提出一种鲁棒动态逆曲线运动控制方法，采用正弦函数与随动控制相结合的控制策略实现轨迹半径与速度的闭环控制，通过动态逆控制方法构建以期望轨迹为解空间的动态微分系统来规避对复杂动力学方程的求解，降低系统非线性，利用定量反馈理论搭建鲁棒控制器克服系统对参数摄动敏感、缺乏鲁棒性的缺陷。项目预期研究一种球形机器人曲线运动控制方法，使机器人在管道环境中曲线运动轨迹连续，轨迹半径与速度可控，速度误差小于期望值的2%，轨迹半径误差小于期望值的1%。

未来社会，随着石油、天然气、化工及核工业等产业飞速发展，各种管道将成为最重要的原料输送设备之一，管道运输也将成为全球工业和经济的命脉。但随着长期服役，由于腐蚀、重压等作用，管道会不可避免地出现裂纹、漏孔、变形等现象，而管道所处的环境往往是人们不易或不能直接接触的，因此使用运动灵活、内部机构受外壳保护、不怕跌落的球形机器人进行管道检测与维护任务，成为提高未来油气能源安全运输的关键所在。.项目针对球形机器人曲线运动控制问题，提出一种一种基于动量矩归约模型的球形检测机器人曲线运动鲁棒动态逆控制方法。首先利用动量矩规约模型，以“球-平面”系统理论为核心设计动力学链系统结构，建立了球形机器人曲线运动动力学模型，并利用动态LuGre模型进行摩擦力补偿，提高建模准确性，为后续控制方法验证提供了理论基础。设计基于高斯函数的驱动单元平滑轨迹规划方法，提高机器人曲线运动稳定性，并通过变参数控制实现速度补偿。通过正弦函数控制一个偏心质量产生惯性力矩保持机器人倾斜姿态实现轨迹半径可控的曲线运动，通过随动控制使另一个偏心质量产生偏心力矩实现曲线运动速度可控，并采用动态逆控制方法降低系统非线性，搭建了鲁棒控制器克服系统对参数摄动敏感、缺乏鲁棒性的缺陷，通过仿真验证了控制方法的有效性。搭建了实验系统，实验数据表明，球形机器人能够进行轨迹半径与速度可控的曲线运动，速度误差小于期望值的2%，轨迹半径误差小于期望值的1%。依托该项目发表SCI论文3篇。.该项目的完成，理论方面能够为球形机器人研究提供一种曲线运动建模、动态摩擦力补偿与鲁棒控制方法，同时，为球形机器人运动控制提供一套完整的动力学建模与分析、驱动单元轨迹规划与参数优化方法。应用方面能够实现球形机器人轨迹半径与速度可控的曲线运动控制，使其能够早日应用于油气管道检测领域。