一种基于干扰观测器的机械系统无力传感触觉力估计方法与流程

技术特征：
1.一种基于干扰观测器的机械系统无力传感触觉力估计方法，其特征在于：针对一类无外接力传感器的机械系统，通过加入复合鲁棒周期干扰观测器，实现触觉外力的在线估计，包括以下步骤：第一步，建立基于配备电机位置传感器的机械系统动力学模型，此机械系统动力学模型中的合外干扰包含已知频率周期振动干扰与低频非周期干扰两部分，低频非周期干扰中的建模不确定性表示成乘积摄动模型的形式；第二步，基于第一步动力学模型中低频非周期干扰及高频噪声频段特性，在标准h
∞
控制问题框架下确定优化策略，在连续域中得到鲁棒干扰观测器q
a
(s)，分离外干扰中的低频慢变外力信号；第三步，基于第一步动力学模型中周期干扰的已知频率特性，在离散域中设计指定频率陷波器q
p
(z)；第四步，结合第二步中设计的鲁棒干扰观测器和第三步中的指定频率陷波器，设计复合鲁棒周期干扰观测器q(z)；第五步，利用所述复合鲁棒周期干扰观测器，建立机械系统触觉力的模型，实现末端触觉力的估计与分离。2.根据权利要求1所述的一种基于干扰观测器的机械系统无力传感触觉力估计方法，其特征在于：所述第一步中，建立基于配备电机位置传感器的机械系统动力学模型的表达式如下：其中，θ表示电机输出角度，为θ的二阶导数，表示电机输出角加速度，j表示电机惯性矩，τ为力矩，τ
m
和τ
d
分别表示电机总产生力矩和合外干扰力；将总干扰τ
d
离散化，数学形式建模如下：τ
d
(k)＝d
p
(k) d
a
(k)d
p
(k)＝d
p
(k
‑
n) ρ(k)其中，τ
d
(k)为合外干扰，d
p
(k)和d
a
(k)分别为同时存在的周期性振动干扰和低频非周期干扰，k表示离散时间变量，n表示干扰的周期，ρ(k)为周期干扰的更新率，模型如下：其中，ρ0(k)为周期干扰的更新函数；将模型不确定性表示为如下乘积摄动形式的集合：ω
j
＝{j
s
(s)＝j
n
(s)
·
[i
△
(s)w(s)]|||
△
(s)||
∞
<1}其中，s为传递函数复变量，j
s
表示真实电机惯量，j
n
表示标称电机惯量，i为单位阵，||
·
||
∞
表示h
∞
范数，
△
(s)表示实际对象频率特性对名义模型的摄动，满足
△
(s)∈rh
∞
，称为尺度因子，w(s)是归一化权函数，假定
△
(s)和w(s)是稳定的传递函数，而且
△
(s)的摄动不构成j
n
中不稳定极点的消除，即，j
n
和j
s
具有相同的不稳定极点，此时
△
(s)是可容许的。3.根据权利要求1所述的一种基于干扰观测器的机械系统无力传感触觉力估计方法，其特征在于：所述第二步中，在标准h
∞
控制问题框架下确定优化策略，给出等效开环传递函数如下：
其中，表示虚拟回路，为虚拟被控对象，为虚拟控制器，q
a
(s)为待设计的鲁棒干扰观测器；为了保证等效传感回路中，q
a
(s)
·
p
n
‑1(s)是物理可实现的，需满足：q
a
(s)∈ω
μ
，ω
μ
＝{f(s)|f(s)＝n(s)/d(s),deg(d(s))
‑
deg(n(s))≥μ}其中，ω
μ
表示相对阶次为μ的有理分式集合，μ表示原系统标称对象的相对阶次，f(s)表示集合中的元素，n(s)和d(s)分别表示有理分式的分子多项式和分母多项式，deg(
·
)表示多项式的阶次，即，观测器q
a
(s)的相对阶次需大于等于μ，则虚拟回路满足：当且仅当q
a
(s)∈ω
μ
基于标准h
∞
控制问题框架，采用如下混合灵敏度设计规则：其中，γ为调节参数。w
t
(s)、w
u
(s)和w
s
(s)分别为反映噪声与模型不确定性、控制输入、低频非周期外干扰力三通道频谱特性的特征权函数；至此，将鲁棒干扰观测器的设计问题转化为利用广义虚拟回路整形方法的标准h
∞
问题，给定符合要求的虚拟被控对象则虚拟控制器用matlab软件进行计算；虚拟被控对象与回路整形所得虚拟控制器均不唯一，但回路唯一，则得到最优的鲁棒干扰观测器q
a
(s)，表示如下：4.根据权利要求1所述的一种基于干扰观测器的机械系统无力传感触觉力估计方法，其特征在于：所述第三步中，根据合外干扰中的周期干扰已知频率，在离散域中设计指定频率陷波器如下：q
p
(z)＝[1
‑
λ(1
‑
z
‑
n
)]其中，q
p
(z)为指定频率陷波器，λ为设计参数，z为离散传递函数复变量，选取λ＝0.5使得下式最小：|q
p
(z)|＝|1
‑
2λ|其中，|
·
|表示向量的2
‑
范数。5.根据权利要求1所述的一种基于干扰观测器的机械系统无力传感触觉力估计方法，其特征在于：所述第四步中，设计复合鲁棒周期干扰观测器如下：q(z)＝q
a
(s)
·
q
p
(z)＝q
a
(z)[1
‑
λ(1
‑
z
‑
n
)]。
6.根据权利要求1所述的一种基于干扰观测器的机械系统无力传感触觉力估计方法，其特征在于：所述第五步中，给出机械系统触觉力模型如下：τ
d
＝τ
int
τ
f
τ
hap
τ
l
τ
g
其中，τ
d
表示末端所受合外干扰力，τ
int
表示相互作用力，包括哥式力和离心力；τ
f
表示摩擦力，包括库仑摩擦力和粘性摩擦力；τ
hap
、τ
l
和τ
g
分别表示触觉外力、负载力和重力；则触觉外力估计表示为：其中，表示触觉外力估计，表示合外力估计，τ
l
和τ
g
是恒定且可预知补偿的，机械系统末端所受摩擦力τ
f
和内部交互力τ
int
是可通过重复环境实验预先辨识的；利用所得复合鲁棒周期干扰观测器q(z)＝q
a
(z)[1
‑
γ(1
‑
z
‑
n
)]，得到合外干扰力估计如下：其中，和分别表示合外干扰力τ
d
和电机控制输入τ
m
到合外干扰力估计的传递函数；，p
s
(s)为实际系统的数学模型，p
n
(s)表示标称系统的数学模型；进而得到机械系统末端所受触觉力估计：

技术总结
本发明涉及一种基于干扰观测器的机械系统无力传感触觉力估计方法，建立配备电机位置传感器的机械系统动力学模型，合外干扰包含已知频率周期振动干扰与低频非周期干扰两部分，低频非周期干扰中的建模不确定性表示成乘积摄动模型的形式；根据干扰中的非周期部分及高频噪声频段特性，在标准H


技术研发人员：郭雷 魏嫣然 朱玉凯 乔建忠
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2021.07.15
技术公布日：2021/10/28