切换非完整约束机械系统的动力学与控制

The purpose of this project is to study the new theory, new methods and applications of the design and control of a class of variant multi-mode locomotion systems by studying the dynamics and control issues of switched nonholonomic mechanical systems. Through research on the key scientific problems including symmetric synthesis methods of the dynamics of switched nonholonomic mechanical system, normal forms synthesis methods of the dynamics of switched nonholonomic mechanical systems, and robust control techniques of switched nonlinear dynamics system with variable constraints, provide a theoretical basis for the design and innovation developments and engineering applications of variant multi-mode locomotion mechanical systems, and through developing a "run-flapping flight" experimental robot system with variant multi-mode locomotion capability, to explore the feasible design methods and robust control techniques of autonomous variant robot systems. The research results will be of great reference value to promote the developments and applications of reconfigurable variant locomotion mechanical systems, dexterous locomotion mechanical systems and bionic robot systems.

本申请项目旨在通过研究切换非完整约束机械系统的动力学与控制问题，探索一类变体多模式运动机械系统设计与控制的新理论、新方法及其应用。拟通过研究切换非完整约束力学系统的对称性综合方法、切换非完整约束系统的动力学规范形综合方法、变约束切换非线性动力学系统的鲁棒控制等科学问题，为变体多模式运动机械系统的创新发展与应用提供机构-控制一体化设计理论基础，并通过研制“奔跑-扑翼飞行”变体多模式运动机器人实验系统，探索自主变体机器人的可行设计方法及其运动的鲁棒稳定控制技术。相关研究成果将对促进可重构变体运动机械系统、灵巧运动机械系统和仿生机器人技术的创新发展和应用，具有重要参考价值。

本项目的研究目标是从动力学分析、动力学综合、鲁棒控制器设计与试验验证方面进行研究，探索切换非完整约束机械系统设计与控制的基本理论和方法。经过四年的研究，课题组在切换非完整约束欠驱动系统的混杂周期运动规划方法；多模式运动机械系统的近似一致规范形变换方法；基于切换线性反馈控制器的混杂周期运动系统的轨道镇定方法；含冲击碰撞的混杂周期运动系统的动力学建模方法；基于观测器的非线性反馈控制器设计方法及其在一类非仿射非线性动态系统全局镇定控制中的应用；基于伪稳态空气动力学理论的欠驱动扑翼飞行机器人动力学建模、分析与控制；仿鸟扑翼飞行机器人动力学模型的全局性质分析与降阶约化方法；欠驱动仿鸟扑翼飞行机器人系统的“几乎全局渐近稳定”控制器设计方法等方面，获得了实质性研究进展。研制了微型机器鱼试验样机、小型欠驱动仿鸟扑翼飞行机器人试验样机，并开展了较多实验研究。相关研究结果在《IEEE Transactions on Control System and Technology》 《Mechanism and Machine Theory》《Robotics and Autonomous Systems》 《International Journal of Control, Automation and Systems》等期刊发表SCI收录论文11篇，出版合著《欠驱动机器人动力学与控制》1部，获得授权国家发明专利11项。培养/在读博士生3名、硕士毕业生6名。