專利名稱：欠驅動雙擺系統擺桿雜技動作控制方法
技術領域：
本發明屬于欠驅動系統的控制技術領域，特別涉及欠驅動雙擺系統雙擺桿的運動規劃與控制方法。
背景技術：
在控制領域中，倒立擺是公認的檢驗控制理論的實驗裝置。如申請號為02257287.2公開的“四級倒立擺實驗儀”，主要由四級擺桿、基座、傳動帶、小車、滑軌、編碼器、伺服電機等組成。該實驗儀從初始狀態(即人為地將四級擺桿置于垂直向上的狀態)開始工作后，與各級擺桿連接的編碼器檢測各擺桿與垂直方向的夾角，并將其測量結果傳給控制器(即《數學通報》2003年第6期“模糊控制理論及其在倒立擺控制中的應用”論文公開的“變論域的自適應模糊控制器”)。控制器對測得的信號進行處理，產生控制信號輸出，由伺服驅動器驅動伺服電機。伺服電機通過傳動帶使小車運動，實現對處在倒立狀態四級擺桿的穩定控制。該實驗儀為控制理論的研究提供了檢驗手段，相應的控制方法提供了多級擺系統穩擺控制的解決策略，但無明顯的工程意義。
在自動控制領域中，作為控制對象的倒立擺系統，是一個欠驅動、多變量、非線性、強耦合的復雜系統。對倒立擺的控制是一個十分經典而具有挑戰性的研究課題。在現有欠驅動倒立擺系統的控制中，如前述“變論域的自適應模糊控制器”對四級倒立擺的實時穩定控制中，論域隨著誤差變小而收縮(亦可隨著誤差增大而擴展)。變論域的自適應模糊控制是一種近似線形化為基礎的控制方法。在規則形式不變的前提下，論域收縮相當于增加規則，也即插值結點加密，從而提高了精度，是一種動態逐點收斂的插值器。所以，基于變論域的模糊控制器提高了模糊控制器的控制精度。由于在倒立狀態下，欠驅動倒立擺桿只在倒立點附近的小范圍運動，提高精度是有意義的。但是，對于擺桿從下垂點擺起至倒立點的運動控制，因其具有欠驅動、大范圍非線性以及控制目標任務復雜等特點，應用模糊控制等現有的控制方法是無法實現的。對欠驅動倒立擺系統的大范圍運動控制，一直是自動控制領域中的難題。
發明內容
本發明的目的是針對現有倒立擺系統控制方法的不足之處，提供一種欠驅動雙擺系統擺桿雜技動作的控制方法。該方法能解決欠驅動雙擺系統大范圍運動控制的難題，將倒立擺系統從實驗裝置推向實際工程應用。
本發明方法是這樣實現的一種欠驅動雙擺系統擺桿雜技動作控制方法，利用現有的小車雙擺系統(如圖2所示)，該系統包括內擺桿(內桿)、外擺桿(外桿)、小車、角度傳感器、交流/直流電機和控制器等。小車雙擺系統的外桿與內桿、內桿與小車之間，均通過帶滾動軸承的旋轉軸活動連接，在旋轉軸上分別裝設有角度編碼器或旋轉電位器，以便分別監測內、外桿與垂直方向的轉角。在伺服電機的控制程序中，裝載有依據本方法編制的控制程序。兩桿的雜技動作，根據雜技演員的動作特點，模擬人體的動覺智能，利用擺桿的運動慣性，對由兩擺桿的平衡位置和運動姿態組成的成套雜技動作進行分階段控制。成套雜技動作的總控制器，由各階段控制目標對應的子控制器，經關聯圖式連接而成。總控制器被編制成實時運行的程序控制代碼，輸入到相應的計算機控制系統中，輸出的控制信號經伺服電機驅動器功率放大后，實現伺服電機的運動控制，進而驅動小車，帶動兩擺桿運動，使兩擺桿完成各種成套雜技動作，實現了對欠驅動雙擺系統大范圍運動精確控制的目的。
一種欠驅動雙擺系統擺桿雜技動作控制方法，利用欠驅動雙擺系統及控制器，通過計算機程序進行控制，實現控制的具體方法步驟如下(如圖1所示)(1)兩桿成套雜技動作控制目標的確定1)兩桿穩定平衡位置組合狀態及其控制方法利用欠驅動雙擺系統，依據雜技演員的動作特點，通過近似線形化為基礎的控制方法，對兩桿各穩定平衡位置組合狀態進行控制。其四個基本組合狀態及控制方法如下(如圖3、圖4所示)①內桿向下-外桿向下(down-down)的自穩定平衡狀態(如圖3-1所示)；這種狀態作為雙擺系統開始進行雜技動作的初始狀態，通過程序依據該初始狀態對控制系統進行初始化標定。在編排的成套雜技動作中當以這種狀態為動作序列的目標時在偏差大時，對內、外桿的擺角和小車的位移采用開環的磅磅控制；在偏差小時，對內、外桿的擺角和小車的位移分別采用閉環的正反饋或負反饋的比例微分，并通過它們之間的線性疊加對小車的運動進行控制，使兩桿盡快的達到這種狀態。
②內桿向下-外桿向上(down-up)的不自穩定平衡狀態(如圖3-2所示)在編排的成套雜技動作中，當以這種狀態為動作序列的目標時，內桿與內桿垂直向下的夾角、外桿與外桿垂直向上的夾角均在α以內，對內、外桿的擺角和小車的位移分別采用閉環的正反饋或負反饋比例微分，并通過它們之間的線性疊加對小車的運動進行控制，從而完成對內桿垂直向下、外桿垂直向上的平衡狀態的控制，其控制過程如圖4-1、4-2、4-3所示。
③內桿向上-外桿向上(up-up)的不自穩定平衡狀態(如圖3-3所示)在編排的成套雜技動作中，當以這種狀態為動作序列的目標時，內、外桿與內、外桿均垂直向上的夾角均在α以內，對內、外桿的擺角和小車的位移分別采用閉環的正反饋或負反饋比例微分，并通過它們之間的線性疊加對小車的運動進行控制，從而完成對內桿垂直向上、外桿也垂直向上的平衡狀態的控制，其控制過程如圖4-7、4-8、4-9所示。
④內桿向上-外桿向下(up-down)的不自穩定平衡狀態(如圖3-4所示)在編排的成套雜技動作中，當以這種狀態為動作序列的目標時，內桿與內桿垂直向上的夾角、外桿與外桿垂直向下的夾角均在α以內，對內、外桿的擺角和小車的位移分別采用閉環的正負反饋比例微分，并通過它們之間的線性疊加對小車的運動進行控制，從而完成對內桿垂直向上，外桿垂直向下的平衡狀態的控制，其控制過程如圖4-10、4-11、4-12所示。
2)兩桿動作基本運動姿態及其控制方法利用欠驅動雙擺系統，依據雜技演員的動作特點，模擬人體的動覺智能，通過程序對兩桿的各種運動姿態進行控制。其十二個基本運動姿態及控制方法如下(如圖4所示)①內桿向下-外桿擺起(down-swing-up)對圖4中的第1個運動姿態控制目標，雙擺的控制系統通過正反饋比例控制，控制外桿的振蕩擺起。同時，雙擺的控制系統通過正或負反饋的比例微分控制使內桿保持垂直向下的姿態，使小車的位移保持在初始位置附近。通過上述三個控制作用的線性疊加控制小車的位移，完成該運動姿態的控制。
②內桿向下-外桿順時針旋轉(down-R-rotate)對圖4中的第2個運動姿態控制目標，在內桿向下-外桿向上(down-up)時，小車左移，使外桿從右方自由下跌，啟動外桿順時針旋轉過程，當外桿質心低于其旋轉軸時，用對外桿擺角的正反饋控制，向外桿注入能量，以補充外桿旋轉中因為摩擦造成的能量損失，外桿旋轉的次數決定于注入能量的大小。當外桿旋轉回到外桿向上時，雙擺的控制系統通過正反饋或負反饋的比例微分控制，使內桿保持垂直向下的姿態，并使小車的位移保持在初始位置附近。
③內桿向下-外桿逆時針旋轉(down-L-rotate)對圖4中的第3個運動姿態控制目標，當內桿向下-外桿向上(down-up)時，小車右移，使外桿從左方自由下跌，啟動外桿逆時針旋轉控制，當外桿質心低于其轉軸時，用對外桿擺角的正反饋控制，向外桿注入能量，以補充外桿旋轉中因為摩擦造成的能量損失，外桿旋轉的次數決定于注入能量的大小。當外桿旋轉回到外桿向上時，雙擺的控制系統通過正反饋或負反饋的比例微分控制，使內桿保持垂直向下的姿態，并使小車的位移保持在初始位置附近。
④內桿向上-外桿擺起(up-swing-up)對圖4中的第4個運動姿態控制目標，雙擺的控制系統通過正反饋比例控制，控制外桿的振蕩擺起。同時，雙擺的控制系統通過閉環的正反饋或負反饋的比例微分控制使內桿保持垂直向上的姿態，使小車的位移保持在初始位置附近。通過上述三個控制作用的線性疊加控制小車的位移，完成該運動姿態的控制。
⑤內桿向上-外桿順時針旋轉(up-R-rotate)對圖4中的第5個運動姿態控制目標，當內桿向上-外桿向上(up-up)時，小車左移，使外桿從右方自由下跌，啟動外桿順時針旋轉控制，當外桿質心低于其旋轉軸時，用對外桿擺角的正反饋控制，向外桿注入能量，以補充外桿旋轉中因為摩擦造成的能量損失，外桿旋轉的次數決定于注入能量的大小。當外桿旋轉回到外桿向上時，雙擺的控制系統通過正反饋或負反饋的比例微分控制，使內桿保持垂直向下的姿態，并使小車的位移保持在初始位置附近。
⑥內桿向上-外桿逆時針旋轉(up-L-rotate)對圖4中的第6個運動姿態控制目標，當內桿向上-外桿向上(up-up)時，小車右移，使外桿從左方自由下跌，啟動外桿逆時針旋轉控制，當外桿質心低于其旋轉軸時，用對外桿擺角的正反饋控制，向外桿注入能量，以補充外桿旋轉中因為摩擦造成的能量損失，外桿旋轉的次數決定于注入能量的大小。當外桿旋轉回到外桿向上時，雙擺的控制系統通過正反饋或負反饋的比例微分控制，使內桿保持垂直向下的姿態，并使小車的位移保持在初始位置附近。
⑦內桿向下-外桿向下-兩桿同時擺起(down-down-swing-up)對圖4中的第7個運動姿態控制目標，當內桿向下-外桿向下(down-down)時，雙擺的控制系統通過正反饋比例控制，控制內桿和外桿同時的振蕩擺起。同時，通過閉環的正反饋或負反饋的比例微分，對兩桿的夾角和小車的位置進行控制，使兩擺桿成近似直線的姿態振蕩擺起。這時三個控制作用的線性疊加構成了對小車運動控制。
⑧內桿向上-外桿向上-兩桿同時順時針旋轉(up-up-R-rotate)對圖4中的第8個運動姿態控制目標，當內桿向上-外桿向上(up-up)時，小車左移，使兩桿同時從右方自由下跌，啟動兩桿順時針旋轉控制，當兩桿質心低于其旋轉軸時，用對兩桿擺角的正反饋控制，向兩桿同時注入能量，以補充兩桿旋轉中因為摩擦造成的能量損失，兩桿同時旋轉的次數決定于注入能量的大小。當內桿和外桿旋轉同時回到垂直向上時，雙擺的控制系統通過閉環的正反饋或負反饋的比例微分控制，使內桿、外桿同時保持垂直向上的姿態，并使小車的位移保持在初始位置附近。
⑨內桿向上-外桿向上-兩桿同時逆時針旋轉(up-up-L-rotate)對圖4中的第9個運動姿態控制目標，當內桿向上-外桿向上(up-up)時，小車右移，使兩桿同時從左方自由下跌，啟動兩桿逆時針旋轉控制，當兩桿質心低于其旋轉軸時，用對兩桿擺角的正反饋控制，向兩桿同時注入能量，以補充兩桿旋轉中因為摩擦造成的能量損失，兩桿同時旋轉的次數決定于注入能量的大小。當內桿和外桿旋轉同時回到垂直向上時，雙擺的控制系統通過閉環的正反饋或負反饋的比例微分控制，使內桿、外桿同時保持垂直向上的姿態，并使小車的位移保持在初始位置附近。
⑩內桿向下-外桿向上-兩桿同時擺起(down-up-swing-up)對圖4中的第10個動作姿態控制目標，當內桿向下-外桿向上(down-up)時，首先用較小的小車運動使雙擺桿偏離(down-up)位置，然后根據兩擺桿的位置與運動姿態特征，通過正反饋的比例控制方法，使內桿振蕩擺起，同時，采用用負反饋的比例微分控制方法，保持外桿與內桿呈一定的夾角和相對運動的姿態并同時振蕩擺起。小車的運動控制始終由上述正負反饋控制的線性疊加構成。
_內桿向上-外桿向下-兩桿同時順時針旋轉(up-down-R-rotate)對圖4中的第11個動作姿態控制目標，當內桿向上-外桿向下(up-down)時，通過負反饋控制內桿和外桿的夾角，同時小車左移，使兩桿從右方自由下跌，啟動兩桿順時針旋轉控制，當兩桿質心低于內桿旋轉軸時，采用正反饋比例控制向兩桿注入能量，補充旋轉中因為摩擦造成的能量損失，兩桿同時旋轉的次數決定于注入能量的大小。當內桿和外桿旋轉回到內桿向上-外桿向下時，雙擺的控制系統通過閉環的正反饋或負反饋的比例微分控制，使內桿保持向上-外桿保持向下的姿態，并使小車的位移保持在初始位置附近。
_內桿向上-外桿向下-兩桿同時逆時針旋轉(up-down-L-rotate)對圖4中的第12個動作姿態控制目標，當內桿向上-外桿向下(up-down)時，通過負反饋控制內桿和外桿的夾角，同時小車右移，使兩桿從左方自由下跌，啟動兩桿逆時針旋轉控制，當兩桿質心低于內桿旋轉軸時，采用正反饋比例控制向兩桿注入能量，補充旋轉中因為摩擦造成的能量損失，兩桿同時旋轉的次數決定于注入能量的大小。當內桿和外桿旋轉回到內桿向上-外桿向下時，雙擺的控制系統通過閉環的正反饋或負反饋的比例微分控制，使內桿保持向上-外桿保持向下的姿態，并使小車的位移保持在初始位置附近。
上述四個基本位置組合狀態和十二個基本運動姿態的控制方法，保證了成套雜技動作實現的可行性。同時，用簡捷的正負反饋相結合的控制方法，保證了控制的實時性與可靠性。
3)兩桿成套雜技動作控制目標的確定及控制任務分解①兩桿成套雜技動作控制目標的確定利用欠驅動雙擺系統，模擬雜技演員的動作，依據成套雜技動作的特點，按照雜技藝術的綜合性、創造性和愉悅性的要求，結合第(1)-1)步的平衡位置組合狀態和(1)-2)步的十二個基本運動姿態及其相互轉換與銜接關系，通過計算機輔助程序，編排各種成套的雜技動作，并確定相應的成套雜技動作控制目標。成套雜技動作控制目標的數量，由相應的成套雜技動作的動作數決定。其中每一個雜技動作表現了從某一種平衡位置組合狀態，經歷某一種基本運動姿態的運動過程，到達另一種平衡位置組合狀態或者回到原來的平衡位置組合狀態(具體詳見實施實例)。
②兩桿成套雜技動作控制目標的控制任務分解根據第(1)-3)-①步確定的兩桿成套雜技動作控制目標，按照各成套雜技動作控制目標的動作順序，通過程序將各動作分別分解成各階段的子控制目標，并設置各個階段的子控制目標相應的子控制器。各個階段的控制目標通過相應的子控制器的控制予以實現。同時，還要確定按動作順序，實現各動作之間平滑切換和銜接的控制目標及設置相應的總順序控制器(即關聯圖式)，從而完成雙擺系統在大范圍內的非線性控制和成套雜技動作的自主控制。
(2)成套雜技動作控制目標的控制1)被控對象雙擺系統的建模與參數辨識①欠驅動雙擺系統數學模型結構的建立用牛頓-歐拉法或分析力學中的拉格朗日方程建立欠驅動雙擺系統的數學模型結構。建立的模型結構形式為非線性二階微分方程M(q)q··+C(q,q·)q·+G(q)=F]]>式中q＝(x，θ1，θ2)T，q·=(x·,θ·1,θ·2)T]]>②在計算機中構建立欠驅動雙擺系統數學模型相應的數值模型用數值分析方法，依據第(2)-1)-①步建立的數學模型在計算機中建立相應的數值模型，并通過初步物理測量確定數學模型中的動力學參數。在計算機仿真中，用固定步長的四階龍格庫塔法求解微分方程。
③雙擺系統等效模型參數的辨識為使第(2)-1)-②步在計算機中建立的數值仿真模型與實際對象做到基本一致，以便加速完成從計算機仿真到實物控制實驗的過渡，采用遺傳進化算法對數值仿真模型的中的動力學參數進行整定，使其能與實際對象等效。其步驟是首先建立反映實際測量的欠驅動雙擺系統的輸入輸出響應和第(2)-1)-②步在計算機中建立的數值模型的輸入輸出響應差別的遺傳進化算法的適應度函數，然后應用遺傳進化算法對這些動力學參數進行優化，直至數值仿真模型的輸入輸出響應與實際對象的輸入輸出響應做到基本一致。模型中不便于用測量法準確得到的摩擦系數，也在以上遺傳進化計算的過程中被確定，從而得到的是能與實際對象基本一致的等效數值模型，因此控制器的有效控制參數的確定、系統工作品質的評價等工作均可由數值仿真實驗完成，使得后面的仿真研究對實時控制有很強的指導意義。
2)成套雜技動作總控制器及各雜技動作相應子控制器控制參數的確定與優化對第(1)-3)步確定出的成套雜技動作控制目標、分解得到的各分階段控制目標及設置對應的各子控制器以及保證各動作之間平滑切換和銜接的關聯圖式，保證了整個成套雜技動作控制器結構的合理性和成套雜技動作實現的可行性。但是，其中有大量的切換特征參數和控制參數要確定和優化。本發明通過遺傳進化算法實現上述各子控制器和關聯圖式參數的確定與優化，以快速、準確實現成套雜技動作為目標建立遺傳進化算法的適應度函數，然后應用遺傳進化算法對這些特征及控制參數進行優化，直至成套雜技動作的精確實現。這種方法能方便地由計算機可靠地得到多組完成各控制任務的可行的控制參數，使仿真模型與實際對象基本等效，從而大大地降低實物控制實驗的調試工作量。
3)實物控制實驗及實驗結果的評估與判斷對第(1)-3)步設置的各分階段控制目標的各子控制器和總順序控制器，編制完成相應的分階段控制目標的，能實時運行的控制程序后，輸入到由PC系統組成的控制器或由嵌入式系統組成的控制器或由PC系統和嵌入式系統組成的控制器中，在其控制器中設置有運動控制卡，對系統中伺服電機的旋轉進行控制，通過伺服電機的旋轉驅動小車的位移，帶動與小車活動連接的兩個擺桿的位置狀態和運動姿態。在控制欠驅動雙擺系統實物進行成套雜技動作的運動實驗中，實時地記錄環境干擾的情況和控制的效果。在實驗過程中，隨時將仿真實驗結果與實物實驗結果進行分析比較及評估判斷當還沒有完成成套雜技動作的控制目標時，重復進行第(2)步中的各個步驟，對控制器參數或控制程序進行再調整；當完成成套雜技動作的控制目標時，結束實物控制實驗。從而完成欠驅動雙擺系統成套雜技動作的控制。
本發明采用上述多控制目標及多模態控制的分解控制實現復雜控制目標的控制方法，具有簡潔可靠，便于模擬雜技演員的身體動覺智能，并便于實現非線性大范圍運動控制和其它復雜系統控制等的突出優點。本發明可廣泛應用于欠驅動關節型機械臂、雜技機器人、天空飛行器和智能玩具等裝置的控制。
四
圖1本發明的程序流程框圖；圖2現有欠驅動小車雙擺系統結構示意圖；圖中1.交流/直流伺服電機，2.基座(小車)，3.傳動帶，4.滑軌，5.角度編碼器，6.內擺桿，7.外擺桿。
圖3本發明兩擺桿平衡位置組合狀態控制目標示意圖；圖中1.內桿向下-外桿向下(down-down)，2.內桿向下-外桿向上(down-up)，3.內桿向上-外桿向上(up-up)，4.內桿向上-外桿向下(up-down)。
圖4本發明兩擺桿十二個基本運動姿態控制目標示意圖；圖中1.內桿向下-外桿擺起(down-swing-up)，2.內桿向下-外桿順時針旋轉(down-R-rotate)，3.內桿向下-外桿逆時針旋轉(down-L-rotate)，4.內桿向上-外桿擺起(up-swing-up)，5.內桿向上-外桿順時針旋轉(up-R-rotate)，6.內桿向上-外桿逆時針旋轉(up-L-rotate)，7.內桿向下-外桿向下-兩桿同時擺起(down-down-swing-up)，8.內桿向上-外桿向上-兩桿同時順時針旋轉(up-up-R-rotate)，9.內桿向上-外桿向上-兩桿同時逆時針旋轉(up-up-L-rotate)，10.內桿向下-外桿向上-兩桿同時擺起(down-up-swing-up)，11.內桿向上-外桿向下-兩桿同時順時針旋轉(up-down-R-rotate)，12.內桿向上-外桿向下-兩桿同時逆時針旋轉(up-down-L-rotate)。
圖5本發明PC系統控制器的硬件系統組成框圖；圖中8.PC系統，9.運動控制卡，10.電機伺服控制器，11.交流/直流伺服電機，12.雙擺系統，14.PC機。
圖6本發明嵌入式系統的控制器硬件系統組成框圖；圖中10.電機伺服控制器，11.交流/直流伺服電機，12.雙擺系統，13.嵌入式系統。
圖7本發明PC機和嵌入式系統構成的控制器硬件系統組成框圖；圖中10.電機伺服控制器，11.交流/直流伺服電機，12.雙擺系統，13.嵌入式系統，14.PC機。
圖8為本實施例1的分解成套雜技動作控制目標的程序流程框圖；圖9為本實施例1的分解成套雜技動作分階段控制目標示意圖；圖10為本實施例2的分解成套雜技動作控制目標的程序流程框圖；圖11為本實施例2的分解成套雜技動作分階段控制目標示意圖。
五具體實施例方式
下面結合具體實施方式
，進一步說明本發明。
實施例1
如圖8～9所示，一種欠驅動雙擺系統擺桿雜技動作控制方法，利用欠驅動雙擺系統和控制器，通過程序對已編排出的第一套成套雜技動作的分解及控制的方法步驟如下1)對成套雜技動作的編排與分階段控制目標的分解對通過計算機已編排出的第一套成套雜技動作控制目標，按其動作順序(如圖8所示)，采用開閉環相結合及正負反饋結合的控制方式通過程序將該套雜技動作控制目標分解為十五個階段控制目標，如圖9所示，并設置十五個分階段控制目標對應的十五個子控制器，其分解成套雜技動作控制目標的方法步驟如下①第一個階段控制目標，從系統第1個位置狀態，即內桿向下-外桿向下(down-down)的自然穩定的位置狀態開始，經內桿向下-外桿擺起(down-swing-up)的第1種基本運動姿態到達內桿向下-外桿向上(down-up)的第2個位置狀態并穩定；②第二個階段控制目標，經內桿向下-外桿順時針旋轉(down-R-rotate)720°(兩周)的第2種基本運動姿態，回到內桿向下-外桿向上(down-up)的第2個位置狀態并穩定；③第三個階段控制目標，經內桿向下-外桿逆時針旋轉(down-L-rotate)720°(兩周)的第3種基本運動姿態，回到內桿向下-外桿向上(down-up)的第2個位置狀態并穩定；④第四個階段控制目標，經內桿向下-外桿向上-兩桿同時擺起(down-up-swing-up)的第10種基本運動姿態到第內桿向上-外桿向下(up-down)的4個位置狀態并穩定；⑤第五個階段控制目標，經內桿向上-外桿擺起(up-swing-up)的第4種基本運動姿態到內桿向上-外桿向上(up-up)的第3個位置狀態并穩定；⑥第六個階段控制目標，經內桿向上-外桿順時針旋轉(up-R-rotate)1080°(三周)的第5種基本運動姿態，回到內桿向上-外桿向上(up-up)的第3個位置狀態并穩定；⑦第七個階段控制目標，經內桿向上-外桿逆時針旋轉(up-L-rotate)1080°(三周)的第6種基本運動姿態，回到內桿向上-外桿向上(up-up)的第3個位置狀態并穩定；⑧第八個階段控制目標，經內桿向上-外桿順時針旋轉(up-R-rotate)720°(兩周)的第5種基本運動姿態，回到內桿向上-外桿向上(up-up)的第3個位置狀態并穩定；⑨第九個階段控制目標，經內桿向上-外桿向上-兩桿同時順時針旋轉(up-up-R-rotate)180°(半周)的第8種基本運動姿態，到內桿向下-外桿向下(down-down)的第1個位置狀態并穩定；⑩第十個階段控制目標，經內桿向下-外桿向下-兩桿同時擺起(down-down-swing-up)的第7種基本運動姿態到內桿向上-外桿向上(up-up)的第3個位置狀態并穩定；_第十一個階段控制目標，經內桿向上-外桿向上-兩桿同時逆時針旋轉(up-up-L-rotate)360°(一周)的第9種基本運動姿態回到內桿向上-外桿向上(up-up)的第3個位置狀態并穩定；_第十二個階段控制目標，經內桿向上-外桿順時針旋轉(up-R-rotate)540°(一周半)的第5種基本運動姿態，到內桿向上-外桿向下(up-down)的第4個位置狀態并穩定；
_第十三個階段控制目標，經內桿向上-外桿向下-兩桿同時逆時針旋轉(up-down-R-rotate)720°(二周)的第12種基本運動姿態，回到內桿向上-外桿向下(up-down)的第4個位置狀態并穩定；_第十四個階段控制目標，經內桿向上-外桿向下-兩桿同時順時針旋轉(up-down-R-rotate)540°(一周半)的第11種基本運動姿態，到內桿向下-外桿向上(down-up)的第2個位置狀態并穩定；_第十五個階段控制目標，經內桿向下-外桿順時針旋轉(down-R-rotate)900°(二周半)的第2種基本運動姿態，到內桿向下-外桿向下(down-down)的第1個位置狀態并穩定，結束該套動作。
2)成套雜技動作控制目標的控制①被控對象雙擺系統的建模與參數辨識設狀態變量為q＝[x θ1θ2]T，(其中x為小車位移，θ1為內擺桿角度，θ2為外擺桿角度)。應用拉格朗日方程得到小車雙擺系統的運動模型為M(q)q··+C(q,q·)q·+G(q)=F]]>式中M(q)=M+m1+m2+m0(m1l1+m2L+m0L)cos(θ1)m2l2cos(θ2)(m1l1+m2L+m0L)cos(θ1)(m1l12+J1+m2L2+m0L2)m2Ll2cos(θ1-θ2)m2l2cos(θ2)m2Ll2cos(θ1-θ2)(m2l22+J2)]]>C(q,q·)=f-(m1l1+m2L+m0L)θ·1sin(θ1)-m2l2θ·2sin(θ2)0c1+c2m2Ll2θ·2sin(θ1-θ2)-c20-m2Ll2θ·1sin(θ1-θ2)-c2c2]]>g(q)=0-(m0L+m1l1+m2L)g(sinθ1)-m2gl2sin(θ2)]]>F＝[u 0 0]T上式中各符號的物理意義及實施中的具體參數見下表
依據上式在計算機中用C語言編程實現快速運算的雙擺系統數值模型，用固定步長的四階龍格庫塔法解二階微分方程，仿真時間間隔與實時控制一致，取5ms。
進一步，讓擺桿從上方自由跌落，記錄內、外擺桿的運動數據。向伺服電機輸出給定的加速度信號，記錄下擺桿與小車的運動數據。
利用遺傳進化算法隨機組合搜索模型參數，使仿真中同樣條件的數值模型自由運動與實物運動數據接近，其中最接近的一組模型參數就是模型參數辨識的結果。使仿真研究有了與實物一致的控制對象，因此控制方法的調試先在計算機中仿真進行實現，然后再移植到實物控制系統中去，使控制效率大大提高。
②控制器參數的確定與優化對第1)步分解得到的十五個分階段控制目標，設置對應的十五個子控制器，保證了控制器結構的合理性。但其中有大量的控制參數需要確定。依據所分解出的十五個階段控制目標，并分別編制十五個相應的多模態控制程序，通過對計算機中數值模型的仿真控制效果與預期控制目標之間的比較，利用遺傳進化算法確定并優化這十五個控制器的控制參數。
該方法不僅能方便地由計算機方便地得到多組可完成各個控制任務的可行的控制參數，而且可以大大地降低調試工作量。因為仿真計算中允許失敗，且執行速度比實物實驗快很多，所以這一步驟與傳統方法相比，可以節省大量的手工勞動。
3)實物控制實驗及實驗結果的評估與判斷將第1)步分解得到的十五個階段控制目標的十五個子控制器和由第2)-②步優化得到的十五個子控制器的參數，置入有PCI接口的PC系統中，由安裝在PC系統中的GT-400-SV運動控制卡(深圳固高科技公司產品)輸出控制信號，經伺服電機驅動器功率放大后，實現伺服電機的運動控制。同時，運動控制卡也能接收小車位置、內外擺桿擺角等雙擺系統的各種狀態信息，反饋給控制器。
在此基礎上，欠驅動雙擺系統擺桿第一套雜技動作的控制方法，按圖8所示的程序流程，編制成實時運行的控制程序，并置入到PC系統中，完成對雙擺桿實物系統第一套成套雜技動作的運動控制。在實物控制實驗中，加入環境干擾實時地記錄有關的控制效果，對控制結果評估與判斷當未完成成套動作的控制目標時，重復進行第2)步，對控制器參數或控制程序進行再調整；當完成成套雜技動作的控制目標時，結束調整，從而完成欠驅動雙擺實物系統第一套雜技動作的仿人運動控制。
實施例2如圖10～11所示，一種欠驅動雙擺系統擺桿雜技動作控制方法，利用欠驅動雙擺系統和控制器，通過程序對已編排出的第二套成套雜技動作的分解及控制的方法步驟如下1)對成套雜技動作控制目標的分解對通過計算機編排出的第二套套成套雜技動作控制目標，按其動作順序(如圖10所示)，采用開閉環相結合及正負反饋結合的控制方式通過程序將該套雜技動作控制目標分解為十五個階段控制目標，如圖11所示，并設置十五個分階段控制目標對應的十五個子控制器，其分解成套雜技動作控制目標的方法步驟如下①第一個階段控制目標，從系統第1個位置狀態，即內桿向下-外桿向下(down-down)的自然穩定的位置狀態開始，經內桿向下-外桿向下-兩桿同時擺起(down-down-swing-up)的第7種基本運動姿態到達內桿向上-外桿向上(up-up)的第3個位置狀態并穩定；②第二個階段控制目標，經內桿向上-外桿向上-兩桿同時順時針旋轉(up-up-R-rotate)720°(兩周)的第8種基本運動姿態，回到內桿向上-外桿向上(up-up)的第3個位置狀態并穩定；③第三個階段控制目標，經內桿向上-外桿向上-兩桿同時逆時針旋轉(up-up-L-rotate)1080°(三周)的第9種基本運動姿態，回到內桿向上-外桿向上(up-up)的第3個位置狀態并穩定；④第四個階段控制目標，經內桿向上-外桿順時針旋轉(up-R-rotate)720°(兩周)的第5種基本運動姿態，回到內桿向上-外桿向上(up-up)的第3個位置狀態并穩定；⑤第五個階段控制目標，經內桿向上-外桿逆時針旋轉(up-L-rotate)900°(兩周半)的第6種基本運動姿態，到內桿向上-外桿向下(up-down)的第4個位置狀態并穩定；⑥第六個階段控制目標，經內桿向上-外桿向下-兩桿同時順時針旋轉(up-down-R-rotate)1080°(三周)的第11種基本運動姿態，回到內桿向上-外桿向下(up-down)的第4個位置狀態并穩定；⑦第七個階段控制目標，經內桿向上-外桿向下-兩桿同時逆時針旋轉(up-down-L-rotate)1080°(三周)的第12種基本運動姿態，回到內桿向上-外桿向下(up-down)的第4個位置狀態并穩定；⑧第八個階段控制目標，經內桿向上-外桿向下-兩桿同時順時針旋轉(up-down-R-rotate)900°(兩周半)的第11種基本運動姿態，到內桿向下-外桿向上(down-up)的第2個位置狀態并穩定；⑨第九個階段控制目標，經內桿向下-外桿順時針旋轉(down-R-rotate)720°(兩周)的第2種基本運動姿態，回到內桿向下-外桿向上(down-up)的第2個位置狀態并穩定；⑩第十個階段控制目標，經內桿向下-外桿逆時針旋轉(down-L-rotate)1260°(三周半)的第3種基本運動姿態，到內桿向下-外桿向下(down-down)的第1個位置狀態并穩定；_第十一個階段控制目標，經內桿向下-外桿擺起(down-swing-up)的第1種基本運動姿態，到內桿向下-外桿向上(down-up)的第2個位置狀態并穩定；_第十二個階段控制目標，經內桿向下-外桿向上-兩桿同時擺起(down-up-swing-up)的第10種基本運動姿態，到內桿向上-外桿向下(up-down)的第4個位置狀態并穩定；_第十三個階段控制目標，經內桿向上-外桿擺起(up-swing-up)的第4種基本運動姿態，到內桿向上-外桿向上(up-up)的第3個位置狀態并穩定；
_第十四個階段控制目標，經內桿向上-外桿向上-兩桿同時順時針旋轉(up-up-R-rotate)1080°(三周)的第8種基本運動姿態，回到內桿向上-外桿向上(up-up)的第3個位置狀態并穩定；_第十五個階段控制目標，經內桿向上-外桿向上-兩桿同時逆時針旋轉(up-up-L-rotate)1260°(三周半)的第9種基本動作，回到內桿向下-外桿向下(down-down)的第1個位置狀態并穩定，結束該套動作。
2)成套雜技動作控制目標的控制①被控對象雙擺系統的建模與參數辨識機理建模、數值仿真模型的建立與模型參數辨識，與實施例1的2)-①步相同。
②控制器參數的確定與優化控制器參數的確定與優化方法，與實施例1的第2)-②步相同，但因為控制目標不同，遺傳進化算法中的適應度函數和所求得的最佳控制參數不同。
3)實物控制實驗及實驗結果的評估與判斷將第1)步分解得到的十五個階段控制目標的各子控制器和由第2)-②步優化得到的十五個子控制器的參數，置入PC系統和嵌入式系統的控制器硬件系統(如圖7)，在嵌入式系統中設置了底層的運動控制算法模塊及與PC機通信的程序模塊，嵌入式系統輸出的控制信號，經伺服電機驅動器功率放大后，實現伺服電機的運動控制，同時，嵌入式系統也接收小車位置、內外擺桿擺角等雙擺系統的狀態信息，反饋給控制器。
在此基礎上，欠驅動雙擺系統第二套雜技動作控制方法，按圖10所示的程序流程，編制成實時運行的控制程序，并置入到嵌入式系統中，完成對雙擺桿的雜技動作控制，PC系統與嵌入式系統通信，實現對雙擺系統運行狀態監視和設置控制任務等上層管理功能；在實物控制實驗中，加入環境干擾實時地記錄有關的控制效果，對控制結果評估與判斷當未完成成套動作的控制目標時，重復進行第2)步，對控制器參數或控制程序進行再調整；當完成成套雜技動作的控制目標時，結束調整，從而完成欠驅動雙擺實物系統第二套雜技動作的仿人運動控制。
權利要求
1.一種欠驅動雙擺系統擺桿雜技動作控制方法，利用欠驅動雙擺系統及控制器，通過計算機程序進行控制，其特征在于具體的方法步驟如下(1)兩桿成套雜技動作控制目標的確定1)兩桿穩定平衡位置組合狀態及控制方法利用欠驅動雙擺系統，依據雜技演員的動作特點，通過近似線形化為基礎的控制方法，對兩桿各穩定平衡位置組合狀態進行控制，其四個基本穩定平衡位置組合狀態及控制方法如下①內桿向下-外桿向下的自穩定平衡狀態這種狀態作為雙擺系統開始進行雜技動作的初始狀態，通過程序根據該初始狀態對控制系統進行初始化標定；在編排的成套雜技動作中，當以這種狀態為動作序列的目標時在偏差大時，對內、外桿的擺角和小車的位移采用開環的磅磅控制；在偏差小時，對內、外桿的擺角和小車的位移分別采用閉環的正反饋或負反饋的比例微分，并通過它們之間的線性疊加對小車的運動進行控制；②內桿向下-外桿向上的不自穩定平衡狀態在編排的成套雜技動作中，當以這種狀態為動作序列的目標時，內桿與內桿垂直向下的夾角、外桿與外桿垂直向上的夾角均在α以內，對內、外桿的擺角和小車的位移分別采用閉環的正反饋或負反饋比例微分，并通過它們之間的線性疊加對小車的運動進行控制，從而完成對內桿垂直向下、外桿垂直向上的平衡狀態的控制；③內桿向上-外桿向上的不自穩定平衡狀態在編排的成套雜技動作中，當以這種狀態為動作序列的目標時，內、外桿與內、外桿均垂直向上的夾角均在α以內，對內、外桿的擺角和小車的位移分別采用閉環的正反饋或負反饋比例微分，并通過它們之間的線性疊加對小車的運動進行控制，從而完成對內桿垂直向上、外桿也垂直向上的平衡狀態的控制；④內桿向上-外桿向下的不自穩定平衡狀態在編排的成套雜技動作中，當以這種狀態為動作序列的目標時，內桿與內桿垂直向上的夾角、外桿與外桿垂直向下的夾角均在α以內，對內、外桿的擺角和小車的位移分別采用閉環的正負反饋比例微分，并通過它們之間的線性疊加對小車的運動進行控制，從而完成對內桿垂直向上，外桿垂直向下的平衡狀態的控制；2)兩桿動作基本運動姿態及其控制方法利用欠驅動雙擺系統，依據雜技演員的動作特點，模擬人體的動覺智能，通過程序對兩桿的各種運動姿態進行控制，其十二個基本運動姿態及控制方法如下①內桿向下-外桿擺起對圖4中的第1個運動姿態控制目標，雙擺的控制系統通過正反饋比例控制，控制外桿的振蕩擺起，同時，雙擺的控制系統通過閉環的正反饋或負反饋比例微分控制使內桿保持垂直向下的姿態，使小車的位移保持在初始位置附近，通過上述三個控制作用的線性疊加，控制小車的位移，完成該運動姿態的控制；②內桿向下-外桿順時針旋轉對圖4中的第2個運動姿態控制目標，在內桿向下-外桿向上時，小車左移，使外桿從右方自由下跌，啟動外桿順時針旋轉控制，當外桿質心低于其旋轉軸時，通過對外桿擺角的正反饋控制，向外桿注入能量，以補充外桿旋轉中因摩擦造成的能量損失，外桿旋轉的次數決定于注入能量的大小；當外桿旋轉回到外桿向上時，雙擺的控制系統通過正反饋或負反饋的比例微分控制，使內桿保持垂直向下的姿態，并使小車的位移保持在初始位置附近；③內桿向下-外桿逆時針旋轉對圖4中的第3個運動姿態控制目標，當內桿向下-外桿向上時，小車右移，使外桿從左方自由下跌，啟動外桿逆時針旋轉控制，當外桿質心低于其旋轉軸時，通過對外桿擺角的正反饋控制，向外桿注入能量，以補充外桿旋轉中因摩擦造成的能量損失，外桿旋轉的次數決定于注入能量的大小，當外桿旋轉回到外桿向上時，雙擺的控制系統通過正反饋或負反饋的比例微分控制，使內桿保持垂直向下的姿態，并使小車的位移保持在初始位置附近；④內桿向上-外桿擺起對圖4中的第4個運動姿態控制目標，雙擺的控制系統通過正反饋比例控制，控制外桿的振蕩擺起，同時，雙擺的控制系統通過閉環的正反饋或負反饋的比例微分控制，使內桿保持垂直向上的姿態，使小車的位移保持在初始位置附近，通過上述三個控制作用的線性疊加，控制小車的位移，完成該運動姿態的控制；⑤內桿向上-外桿順時針旋轉對圖4中的第5個運動姿態控制目標，當內桿向上-外桿向上時，小車左移，使外桿從右方自由下跌，啟動外桿順時針旋轉控制，當外桿質心低于其旋轉軸時，通過對外桿擺角的正反饋控制，向外桿注入能量，以補充外桿旋轉中因摩擦造成的能量損失，外桿旋轉的次數決定于注入能量的大小，當外桿旋轉回到外桿向上時，雙擺的控制系統通過閉環的正反饋或負反饋的比例微分控制，使內桿保持垂直向上的姿態，并使小車的位移保持在初始位置附近；⑥內桿向上-外桿逆時針旋轉對圖4中的第6個運動姿態控制目標，當內桿向上-外桿向上時，小車右移，使外桿從左方自由下跌，啟動外桿逆時針旋轉控制，當外桿質心低于其旋轉軸時，通過對外桿擺角的正反饋控制，向外桿注入能量，以補充外桿旋轉中因摩擦造成的能量損失，外桿旋轉的次數決定于注入能量的大小，當外桿旋轉回到外桿向上時，雙擺的控制系統通過閉環的正反饋或負反饋的比例微分控制，使內桿保持垂直向上的姿態，并使小車的位移保持在初始位置附近；⑦內桿向下-外桿向下-兩桿同時擺起對圖4中的第7個運動姿態控制目標，當內桿向下-外桿向下時，雙擺的控制系統通過正反饋比例控制，控制內桿和外桿同時的振蕩擺起，同時，通過閉環的正反饋或負反饋的比例微分，對兩桿的夾角和小車的位置進行控制，使兩擺桿成近似直線的姿態振蕩擺起，這時三個控制作用的線性疊加構成了對小車的運動控制；⑧內桿向上-外桿向上-兩桿同時順時針旋轉對圖4中的第8個運動姿態控制目標，當內桿向上-外桿向上時，小車左移，使兩桿同時從右方自由下跌，啟動兩桿同時順時針旋轉控制，當兩桿質心低于其旋轉軸時，通過對兩桿擺角的正反饋控制，向兩桿同時注入能量，以補充兩桿旋轉中因摩擦造成的能量損失，兩桿同時旋轉的次數決定于注入能量的大小，當內桿和外桿旋轉同時回到垂直向上時，雙擺的控制系統通過閉環的正反饋或負反饋的比例微分控制，使內桿、外桿同時保持垂直向上的姿態，并使小車的位移保持在初始位置附近；⑨內桿向上-外桿向上-兩桿同時逆時針旋轉對圖4中的第9個運動姿態控制目標，當內桿向上-外桿向上時，小車右移，使兩桿同時從左方自由下跌，啟動兩桿同時逆時針旋轉控制，當兩桿質心低于其旋轉軸時，通過對兩桿擺角的正反饋控制，向兩桿同時注入能量，以補充兩桿旋轉中因摩擦造成的能量損失，兩桿同時旋轉的次數決定于注入能量的大小，當內桿和外桿旋轉同時回到垂直向上時，雙擺的控制系統通過閉環的正反饋或負反饋的比例微分控制，使內桿、外桿同時保持垂直向上的姿態，并使小車的位移保持在初始位置附近；⑩內桿向下-外桿向上-兩桿同時擺起對圖4中的第10個動作姿態控制目標，當內桿向下-外桿向上時，首先用較小的小車運動使雙擺桿偏離位置，然后根據兩擺桿的位置與運動姿態特征，通過正反饋的比例控制，使內桿振蕩擺起，同時，通過閉環的負反饋的比例微分控制，保持外桿與內桿呈一定的夾角和相對運動的姿態，并同時振蕩擺起，小車的運動控制始終由上述正負反饋控制的線性疊加構成；_內桿向上-外桿向下-兩桿同時順時針旋轉對圖4中的第11個動作姿態控制目標，當內桿向上-外桿向下時，通過負反饋控制內桿和外桿的夾角，同時小車左移，使兩桿從右方自由下跌，啟動兩桿順時針旋轉控制，當兩桿質心低于內桿旋轉軸時，通過正反饋比例控制向兩桿注入能量，補充旋轉中因摩擦造成的能量損失，兩桿同時旋轉的次數決定于注入能量的大小，當內桿和外桿旋轉回到內桿向上-外桿向下時，雙擺的控制系統通過閉環的正反饋或負反饋的比例微分控制，使內桿保持向上-外桿保持向下的姿態，并使小車的位移保持在初始位置附近；_內桿向上-外桿向下-兩桿同時逆時針旋轉對圖4中的第12個動作姿態控制目標，當內桿向上-外桿向下時，通過負反饋控制內桿和外桿的夾角，同時小車右移，使兩桿從左方自由下跌，啟動兩桿逆時針旋轉控制，當兩桿質心低于內桿旋轉軸時，通過正反饋比例控制向兩桿注入能量，補充旋轉中因摩擦造成的能量損失，兩桿同時旋轉的次數決定于注入能量的大小，當內桿和外桿旋轉回到內桿向上-外桿向下時，雙擺的控制系統通過閉環的正反饋或負反饋的比例微分控制，使內桿保持向上-外桿保持向下的姿態，并使小車的位移保持在初始位置附近；3)兩桿成套雜技動作控制目標的確定及控制任務分解①兩桿成套雜技動作控制目標的確定利用欠驅動雙擺系統，模擬雜技演員的動作，依據成套雜技動作的特點，按照雜技藝術的綜合性、創造性和愉悅性的要求，結合第(1)-1)步的平衡位置組合狀態和(1)-2)步的十二個基本運動姿態及其相互轉換與銜接關系，通過計算機輔助程序，編排各種成套的雜技動作，并確定相應的成套雜技動作控制目標，成套雜技動作控制目標的數量，由相應的成套雜技動作的動作數決定，其中每一個雜技動作表現了從某一種平衡位置組合狀態，經歷某一種基本運動姿態的運動過程，到達另一種平衡位置組合狀態或者回到原來的平衡位置組合狀態；②兩桿成套雜技動作控制目標的控制任務分解根據第(1)-3)-①步確定的兩桿成套雜技動作控制目標，按照各成套雜技動作控制目標的動作順序，通過程序將各動作分別分解成各階段的子控制目標，并設置各個階段子控制目標相應的子控制器，各個階段的子控制目標通過相應的子控制器的控制予以實現，還要確定按動作順序，實現各動作之間平滑切換和銜接的控制目標及設置相應的關聯圖式，從而實現雙擺系統在大范圍內的非線性控制和成套雜技動作的自主控制；(2)成套雜技動作控制目標的控制1)被控對象雙擺系統的建模與參數辨識①欠驅動雙擺系統數學模型結構的建立用牛頓-歐拉法或分析力學中的拉格朗日方程建立欠驅動雙擺系統的數學模型結構，建立的模型結構形式為非線性二階微分方程M(q)q··+C(q,q·)q·+G(q)=F]]>式中q＝(x，θ1，θ2)T，q·=(x·,θ·1,θ·2)T]]>②在計算機中構建欠驅動雙擺系統數學模型相應的數值模型用數值分析方法，依據第(2)-1)-①步建立的數學模型，在計算機中建立相應的數值模型，并通過初步物理測量確定數學模型中的動力學參數，在計算機仿真中，用固定步長的四階龍格庫塔法求解微分方程；③雙擺系統等效模型參數的辨識首先依據反映實際測量的欠驅動雙擺系統的輸入輸出響應和第(2)-1)-②步在計算機中建立的數值模型的輸入輸出響應之間的差別，建立相應遺傳進化算法的適應度函數，然后應用遺傳進化算法對模型中的動力學參數進行整定，直至數值仿真模型的輸入輸出響應與實際對象的輸入輸出響應做到基本一致，模型中不便于用測量法準確得到的摩擦系數，也在以上遺傳進化計算的過程中被確定，從而得到的是能與實際對象基本一致的等效數值模型，因此控制器的有效控制參數的確定、系統工作品質的評價等工作均可由數值仿真實驗完成；2)成套雜技動作各子控制器和關聯圖式參數的確定與優化對第(1)-3)步確定出的成套雜技動作控制目標、分解得到的各分階段控制目標及設置對應的各子控制器和保證各動作之間平滑切換和銜接的關聯圖式，通過遺傳進化算法實現上述各子控制器和關聯圖式參數的確定與優化；3)實物控制實驗及實驗結果的評估與判斷對第(1)-3)步設置的各子控制器和關聯圖式，編制能實時運行的控制程序之后，輸入到由PC系統組成的控制器或由嵌入式系統組成的控制器或由PC系統和嵌入式系統組成的控制器中，在其控制器中設置有運動控制卡，對系統中伺服電機的旋轉進行控制，通過伺服電機的旋轉驅動小車的位移，控制與小車活動連接的兩個擺桿的位置狀態和運動姿態，在控制欠驅動雙擺系統實物進行成套雜技動作的實驗中，實時地記錄環境干擾的情況和控制的效果，在實驗過程中，隨時將仿真實驗結果與實物實驗結果進行分析比較及評估判斷當沒有完成成套雜技動作的控制目標時，重復進行第(2)步中的各個步驟，對控制器參數或控制程序進行再調整；當完成成套雜技動作的控制目標時，結束實物控制實驗，從而完成欠驅動雙擺系統成套雜技動作的控制。
2.按照權利要求1所述的欠驅動雙擺系統擺桿雜技動作控制方法，其特征在于一種欠驅動雙擺系統擺桿雜技動作控制方法，利用欠驅動雙擺系統和控制器，通過程序對已編排出的第一套成套雜技動作的分解及控制的方法步驟如下1)對成套雜技動作控制目標的分解對通過計算機已編排出的第一套成套雜技動作控制目標，按其動作順序，采用開閉環相結合及正負反饋結合的控制方式，通過程序將該套雜技動作控制目標分解為十五個階段控制目標，并設置十五個階段控制目標對應的十五個子控制器，其分解及控制方法步驟如下①第一個階段控制目標，從雙擺系統第1個位置狀態，即內桿向下-外桿向下的自然穩定的位置狀態開始，經內桿向下-外桿擺起的第1種基本運動姿態，到達內桿向下-外桿向上的第2個位置狀態并穩定；②第二個階段控制目標，經內桿向下-外桿順時針旋轉720°的第2種基本運動姿態，回到內桿向下-外桿向上的第2個位置狀態并穩定；③第三個階段控制目標，經內桿向下-外桿逆時針旋轉720°的第3種基本運動姿態，回到內桿向下-外桿向上的第2個位置狀態并穩定；④第四個階段控制目標，經內桿向下-外桿向上-兩桿同時擺起的第10種基本運動姿態到第內桿向上-外桿向下的4個位置狀態并穩定；⑤第五個階段控制目標，經內桿向上-外桿擺起的第4種基本運動姿態到內桿向上-外桿向上的第3個位置狀態并穩定；⑥第六個階段控制目標，經內桿向上-外桿順時針旋轉1080°的第5種基本運動姿態，回到內桿向上-外桿向上的第3個位置狀態并穩定；⑦第七個階段控制目標，經內桿向上-外桿逆時針旋轉1080°的第6種基本運動姿態，回到內桿向上-外桿向上的第3個位置狀態并穩定；⑧第八個階段控制目標，經內桿向上-外桿順時針旋轉720°的第5種基本運動姿態，回到內桿向上-外桿向上的第3個位置狀態并穩定；⑨第九個階段控制目標，經內桿向上-外桿向上-兩桿同時順時針旋轉180°的第8種基本運動姿態，到內桿向下-外桿向下的第1個位置狀態并穩定；⑩第十個階段控制目標，經內桿向下-外桿向下-兩桿同時擺起的第7種基本運動姿態到內桿向上-外桿向上的第3個位置狀態并穩定；_第十一個階段控制目標，經內桿向上-外桿向上-兩桿同時逆時針旋轉360°的第9種基本運動姿態回到內桿向上-外桿向上的第3個位置狀態并穩定；_第十二個階段控制目標，經內桿向上-外桿順時針旋轉40°的第5種基本運動姿態，到內桿向上-外桿向下的第4個位置狀態并穩定；_第十三個階段控制目標，經內桿向上-外桿向下-兩桿同時逆時針旋轉20°的第12種基本運動姿態，回到內桿向上-外桿向下的第4個位置狀態并穩定；_第十四個階段控制目標，經內桿向上-外桿向下-兩桿同時順時針旋轉540°的第11種基本運動姿態，到內桿向下-外桿向上的第2個位置狀態并穩定；_第十五個階段控制目標，經內桿向下-外桿順時針旋轉900°的第2種基本運動姿態，到內桿向下-外桿向下的第1個位置狀態并穩定，結束該套動作；2)成套雜技動作控制目標的控制①被控對象雙擺系統的建模與參數辨識設狀態變量為q＝[x θ1θ2]T，式中x為小車位移，θ1為內擺桿角度，θ2為外擺桿角度，應用拉格朗日方程得小車雙擺系統的運動模型為M(q)q··+C(q,q·)q·+G(q)=F]]>式中M(q)=M+m1+m2+m0(m1l1+m2L+m0L)cos(θ1)m2l2cos(θ2)(m1l1+m2L+m0L)cos(θ1)(m1l12+J1+m2L2+m0L2)m2Ll2cos(θ1-θ2)m2l2cos(θ2)m2Ll2cos(θ1-θ2)(m2l22+J2)]]>C(q,q·)=f-(m1l1+m2L+m0L)θ·1sin(θ1)-m2l2θ·2sin(θ2)0c1+c2m2Ll2θ·2sin(θ1-θ2)-c20-m2Ll2θ·1sin(θ1-θ2)-c2c2]]>g(q)=0-(m0L+m1l1+m2L)g(sinθ1)-m2gl2sin(θ2)]]>F＝[u 0 0]T上式中各符號的物理意義及實施中的具體參數見下表
依據上式，在計算機中用C語言編程實現快速運算的雙擺系統數值模型，用固定步長的四階龍格庫塔法解上述二階微分方程，仿真時間間隔與實時控制一致，取5ms；進一步，讓擺桿從上方自由跌落，記錄內、外擺桿的運動數據，向伺服電機輸出給定的加速度信號，記錄下擺桿與小車的運動數據；利用遺傳進化算法隨機組合搜索模型參數，使仿真中同樣條件的數值模型自由運動與實物自由運動的數據接近，其中最接近的一組模型參數就是模型參數辨識的結果；②控制器參數的確定與優化對第1)步分解得到的十五個階段控制目標，設置對應的十五個子控制器，并分別編制十五個相應的多模態控制程序，通過對計算機中數值模型的仿真控制效果與預期控制目標之間的比較，利用遺傳進化算法確定并優化這十五個控制器的控制參數；3)實物控制實驗及實驗結果的評估與判斷將第1)步分解得到的十五個階段控制目標的十五個子控制器和由第2)-②步優化得到的十五個子控制器的參數，置入有PCI接口的PC系統中，由安裝在PC系統中的GT-400-SV運動控制卡輸出控制信號，經伺服電機驅動器功率放大后，實現伺服電機的運動控制，同時，運動控制卡也能接收小車位置、內外擺桿擺角等雙擺系統的各種狀態信息，反饋給控制器；在此基礎上，欠驅動雙擺系統第一套雜技動作的控制方法，按圖8所示的程序流程，編制成實時運行的控制程序，并置入到PC系統中，完成對欠驅動雙擺實物系統第一套成套雜技動作的運動控制；在實物控制實驗中，加入環境干擾實時地記錄有關的控制效果，對控制結果評估與判斷當未完成成套動作的控制目標時，重復進行第2)步，對控制器參數或控制程序進行再調整；當完成成套雜技動作的控制目標時，結束調整，從而完成欠驅動雙擺實物系統第一套雜技動作的仿人運動控制。
3.按照權利要求1所述的欠驅動雙擺系統擺桿雜技動作控制方法，其特征在于一種欠驅動雙擺系統擺桿雜技動作控制方法，利用欠驅動雙擺系統和控制器，通過程序對已編排出的第二套成套雜技動作的分解及控制的方法步驟如下1)對成套雜技動作控制目標的分解對通過計算機已編排出的第二套成套雜技動作控制目標，按其動作順序，采用開閉環相結合及正負反饋結合的控制方式，通過程序將該套雜技動作控制目標分解為十五個階段控制目標，并設置十五個階段控制目標對應的十五個子控制器，其分解及控制方法步驟如下①第一個階段控制目標，從系統第1個位置狀態，即內桿向下-外桿向下的自然穩定的位置狀態開始，經內桿向下-外桿向下-兩桿同時擺起的第7種基本運動姿態到達內桿向上-外桿向上的第3個位置狀態并穩定；②第二個階段控制目標，經內桿向上-外桿向上-兩桿同時順時針旋轉720°的第8種基本運動姿態，回到內桿向上-外桿向上的第3個位置狀態并穩定；③第三個階段控制目標，經內桿向上-外桿向上-兩桿同時逆時針旋轉1080°的第9種基本運動姿態，回到內桿向上-外桿向上的第3個位置狀態并穩定；④第四個階段控制目標，經內桿向上-外桿順時針旋轉720°的第5種基本運動姿態，回到內桿向上-外桿向上的第3個位置狀態并穩定；⑤第五個階段控制目標，經內桿向上-外桿逆時針旋轉900°的第6種基本運動姿態，到內桿向上-外桿向下的第4個位置狀態并穩定；⑥第六個階段控制目標，經內桿向上-外桿向下-兩桿同時順時針旋轉1080°的第11種基本運動姿態，回到內桿向上-外桿向下的第4個位置狀態并穩定；⑦第七個階段控制目標，經內桿向上-外桿向下-兩桿同時逆時針旋轉1080°的第12種基本運動姿態，回到內桿向上-外桿向下的第4個位置狀態并穩定；⑧第八個階段控制目標，經內桿向上-外桿向下-兩桿同時順時針旋轉900°的第11種基本運動姿態，到內桿向下-外桿向上的第2個位置狀態并穩定；⑨第九個階段控制目標，經內桿向下-外桿順時針旋轉720°的第2種基本運動姿態，回到內桿向下-外桿向上的第2個位置狀態并穩定；⑩第十個階段控制目標，經內桿向下-外桿逆時針旋轉1260°的第3種基本運動姿態，到內桿向下-外桿向下的第1個位置狀態并穩定；_第十一個階段控制目標，經內桿向下-外桿擺起的第1種基本運動姿態，到內桿向下-外桿向上的第2個位置狀態并穩定；_第十二個階段控制目標，經內桿向下-外桿向上-兩桿同時擺起的第10種基本運動姿態，到內桿向上-外桿向下的第4個位置狀態并穩定；_第十三個階段控制目標，經內桿向上-外桿擺起的第4種基本運動姿態，到內桿向上-外桿向上的第3個位置狀態并穩定；_第十四個階段控制目標，經內桿向上-外桿向上-兩桿同時順時針旋轉1080°的第8種基本運動姿態，回到內桿向上-外桿向上的第3個位置狀態并穩定；_第十五個階段控制目標，經內桿向上-外桿向上-兩桿同時逆時針旋轉1260°的第9種基本動作，回到內桿向下-外桿向下的第1個位置狀態并穩定，結束該套動作；2)成套雜技動作控制目標的控制①被控對象雙擺系統的建模與參數辨識機理建模、數值仿真模型的建立與模型參數辨識，與權利要求2的2)-①步相同；②控制器參數的確定與優化控制器參數的確定與優化方法，與權利要求2的第2)-②步相同，但因為控制目標同，遺傳進化算法中的適應度函數和所求得的最佳控制參數不同；3)實物控制實驗及實驗結果的評估與判斷將第1)步分解得到的十五個階段控制目標的十五子控制器和由第2)-②步優化得到的十五個子控制器的參數，置入PC系統和嵌入式系統組成的控制器中，在嵌入式系統中設置了底層的運動控制算法模塊及與PC系統通信的程序模塊，嵌入式系統輸出的控制信號，經伺服電機驅動器功率放大后，實現伺服電機的運動控制，同時，嵌入式系統也接收小車位置、內外擺桿擺角等雙擺系統的狀態信息，反饋給控制器；在此基礎上，欠驅動雙擺系統第二套雜技動作控制方法，按圖10所示的程序流程，編制成實時運行的控制程序，并置入到嵌入式系統中，完成對雙擺桿的雜技動作控制，PC系統與嵌入式系統通信，實現對雙擺系統運行狀態監視和設置控制任務等上層管理功能；在實物控制實驗中，加入環境干擾實時地記錄有關的控制效果，對控制結果評估與判斷當未完成成套動作的控制目標時，重復進行第2)步，對控制器參數或控制程序進行再調整；當完成成套雜技動作的控制目標時，結束調整，從而完成欠驅動雙擺實物系統第二套雜技動作的仿人運動控制。
全文摘要
一種欠驅動雙擺系統擺桿雜技動作控制方法，屬于欠驅動系統控制技術。本發明利用欠驅動雙擺系統，根據雜技演員的動作特點，模擬人體的動覺智能，利用擺桿的運動慣性，對由兩擺桿的平衡位置和運動姿態組成的成套雜技動作進行分階段控制。成套雜技動作的總控制器，由各階段控制目標對應的子控制器，經關聯圖式連接而成。總控制器被編制成實時運行的程序控制代碼，輸入到相應的計算機控制系統中，輸出的控制信號經伺服電機驅動器功率放大后，實現伺服電機的運動控制，進而驅動小車，帶動兩擺桿運動，使兩擺桿完成各種成套雜技動作。本發明可廣泛應用于欠驅動關節型機械臂、雜技機器人、天空飛行器和智能玩具等裝置的控制。
文檔編號G05B13/04GK1885217SQ20061005435
公開日2006年12月27日 申請日期2006年6月13日 優先權日2006年6月13日
發明者李祖樞, 張華 , 但遠宏, 譚智 申請人:重慶大學