引用本文

刘沛明, 郭祥贵. 基于观测器的人在环多机械臂系统预设性能二分一致性. 自动化学报, 2024, 50(9): 1761−1771 doi: 10.16383/j.aas.c230622

Liu Pei-Ming, Guo Xiang-Gui. Observer-based prescribed performance bipartite consensus for human-in-the-loop multi-manipulator systems. Acta Automatica Sinica, 2024, 50(9): 1761−1771 doi: 10.16383/j.aas.c230622

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.c230622

关键词

多机械臂系统，二分一致性，预设时间和精度，人在环控制 

摘要

研究通讯拓扑为符号有向图的人在环多机械臂系统的预设性能二分一致性跟踪控制问题. 为在预设时间内收敛到预设精度, 提出一种基于观测器的预设性能控制策略. 首先, 设计预设时间和精度的观测器以估计领导者的输出信息, 通过合作/竞争信息交互实现观测器输出的二分一致性. 该观测器不需要领导机械臂的输入信息及输出信息的高阶导数, 并通过无芝诺行为的事件触发机制降低不同机械臂间的通讯负担. 其次, 通过反步法及误差转化法将有约束的机械臂输出跟踪问题转化为无约束的误差系统稳定性问题, 进而基于观测器输出设计机械臂的输出调节控制器. 值得一提的是, 设计的控制策略不需要系统初始状态的先验知识且避免了预设时刻控制增益无穷大的现象, 增强了系统的可靠性. 最后, 仿真结果表明所提控制策略的可行性及优越性.

文章导读

机器人技术被认为将主导未来十年, 其应用市场将大幅增长. 目前, 先进的机器人系统正受到学术界和工业界的广泛关注[1]. 这种兴趣源于它们在半导体制造、医疗等领域的潜在应用价值. 特别是, 机器人已被广泛应用于装配、码垛、焊接、喷漆、3D打印等[2−3]. 在这些应用中, 多个机械臂的协作至关重要. 近年来, 随着微控制及无线通讯技术的发展, 多智能体系统的协同控制受到了广泛关注[4]. 由于其能完成单个智能体所不能完成的复杂任务, 被广泛应用在编队飞行[5]、智能电网[6]、机械臂群同步[7]等领域. 一致性作为协同控制的基础课题, 其目的是在位置和速度等状态上达到一致, 研究者进行了大量的研究[8−10]. 针对有领导者的情况, 文献[11−13]研究了领导跟随一致性问题, 其中的跟随者跟踪领导者的状态. 需要注意的是上述一致性结果都是通过智能体之间的合作完成的, 换句话说, 多智能体系统的通讯拓扑通过非负权重的无符号图描述[14]. 因此, 系统中的所有智能体最终都达到同一个状态. 然而, 在一些实际的多智能体系统中, 一些智能体可能与其邻居表现出对抗作用, 如生产线两侧双机械臂系统的物品传送需要两个机械臂的运动状态对称, 表现为两个机械臂相对自身的运动轨迹相反(竞争特性). 此时智能体间的拓扑兼具正负两种权重[15]. 在这种情况下, 二分一致性在近年来得到了大量的研究, 如针对线性系统在无向图[16]及有向图[17−18]拓扑情况下分别设计二分一致性控制策略, 以及针对非线性系统的有向图[19]和无向图[20]情况. 然而, 前面所提二分一致性研究的前提是多智能体系统中所有智能体为自治系统. 这一要求在处理一些紧急情况下过于理想, 可能导致严重的事故, 如特斯拉自动驾驶汽车的碰撞及波音737喷气式客机的坠毁[21]. 在这种情况下, 通常安排人类操作员辅助自治系统完成复杂任务. 文献[22]和文献[23]分别研究了单智能体和多智能体系统的人在环控制策略, 相比于完全自治系统, 人在环系统的鲁棒性和灵活性更强. 因此, 研究存在对抗交互的人在环多机械臂系统的二分一致性问题具有很重要的理论与实际意义. 

另一方面, 在机器人的很多应用场景中, 对收敛时间和收敛精度有较高的要求, 通常需要在较短的时间内达到较高的跟踪精度[24]. 显然, 有限时间控制[23, 25]、固定时间控制[26−27]和预设时间控制[28−30]在这方面发挥着至关重要的作用. 相比于有限时间控制中收敛时间与系统的初始状态相关[23]和固定时间控制中收敛时间以一个与系统初始状态无关的常数为界[26], 预设时间控制能够根据用户的需求提前设定任意的收敛时间. 因此, 预设时间控制在实际应用中更具吸引力. 然而, 文献[28−30]中的预设时间控制方法为了达到零稳态误差, 预设时刻无穷大的控制增益不可避免. 预设性能控制保证了收敛误差始终在预设区域内[31], 常见的预设性能控制方法可以分为两种: 构造障碍函数法[31−32]和误差转化法[33−34]. 然而, 文献[31−32]中的控制策略需要系统初始状态的先验知识, 这会导致控制器在一些场合无法适用; 文献[33−34]中通过误差转化法同时考虑了收敛时间和收敛精度的需求, 同样需要系统初始状态的先验知识. 因此, 在不知道系统先验知识的情况下同时考虑收敛时间和收敛精度的控制策略需要进一步的研究. 

基于上述讨论, 本文针对人在环多机械臂系统设计一种预设性能的二分一致性跟踪控制方法, 其收敛时间和收敛精度均可由设计者在不知道系统初始状态先验知识的情况下提前分配. 本文的设计难点包括: 1) 有人机械臂的输入及输出信息的导数未知, 需要进行估计; 2) 系统初始状态的先验知识未知且系统对收敛时间和收敛精度要求严格. 本文的主要创新点包含: 

1) 本文的控制方法引入人在环策略, 为领导机械臂系统设计手势控制方案, 与传统的二分一致性控制方法[16−20]相比, 在高度不确定和安全严格的环境中提高了系统的可靠性和灵活性. 

2) 设计一种预设时间和精度的二分一致性控制策略. 与文献[35]中的观测器相比, 所提基于观测器的控制策略在不需要有人机械臂的输入信息和输出信息的高阶导数的情况下实现了多机械臂系统的二分一致性. 此外, 不同于文献[31−34]根据初始条件设计性能函数, 本文设计的预设时间和精度的控制策略不需要系统初始条件的先验知识. 

3) 不同于文献[36]中的预设时间和精度的群一致性控制策略, 所设计控制器不需要机械臂系统结构的动态关系. 需要指出的是, 本文通过神经网络逼近系统未知动态函数, 并进一步通过预设性能控制削弱逼近误差对系统的影响, 实现对存在模型未知动态的系统预设精度的精准控制. 

图 1  手势及机械臂示意图

图 2  控制结构示意图

图 3  不同机械臂间的通讯拓扑

本文针对具有合作/竞争拓扑的人在环多机械臂系统, 设计了预设性能二分一致性控制策略. 通过为每个机械臂系统构建预设时间和精度观测器, 实现了领导者输出信号的估计与观测器输出信号的二分一致性. 此外, 观测器输出作为参考信号传输给控制器. 在此基础上, 设计了输出调节器, 使机械臂角度输出与参考信号之间的跟踪误差在预设时间内收敛到预设精度. 通过Lyapunov稳定性分析证明了所提控制策略的有效性. 未来的研究包括消除观测器设计中用到的全局拓扑信息以进一步降低通讯负担, 以及将预设性能控制拓展到更一般的系统拓扑中, 如不满足结构平衡的符号图. 

作者简介

刘沛明

北京科技大学自动化学院博士研究生. 主要研究方向为多智能体系统, 容错控制. E-mail: liupeiming1783@126.com

郭祥贵

北京科技大学自动化学院教授. 2012年获得东北大学控制科学与工程专业博士学位. 主要研究方向为多智能体系统, 模糊系统, 车辆队列控制和容错控制. 本文通信作者. E-mail: guoxianggui@163.com