طراحی کنترل‌کننده و تخمین‌گر معادله ریکاتی وابسته به حالت برای بازوهای مکانیکی با مفاصل انعطاف‌پذیر در حضور نویز و اغتشاش

Abstract

در طراحی کنترل، اطلاعات کامل بازخورد اغلب ضروری است. در بازوهای مکانیکی با مفاصل انعطاف‌پذیر، اندازه‌گیری تغییرات زوایای بازوها میسر است ولی اندازه‌گیری تغییرات عملگرها به‌سادگی قابل اندازه‌گیری نیست. از طرفی اندازه‌گیری متغیرهای حالت همواره دارای نویز سیگنالی است و فضای کاری بازوهای مکانیکی مخلوطی از اغتشاشات هست. بنابراین وجود یک رویت‌گر و تخمین‌گر غیرخطی مطلوب، جهت بهبود عملکرد سیستم دینامیکی موردنظر، امری ضروری است. روش معادله ریکاتی وابسته به حالت یکی از بهترین روش‌های کنترل بهینه غیرخطی می‌باشد. سیستماتیک بودن این روش، فرمول‌بندی و انجام محاسبات را ساده کرده و کنترل طیف وسیعی از سیستم‌های دینامیک غیرخطی )به‌شرط پایدار پذیر بودن( را در بر می‌گیرد که از مزایای این روش محسوب می‌شود. در اکثر روش‌های کنترل غیرخطی از تکنیک‌های خطی‌سازی مدل استفاده می‌شود اما در این روش فضای‌حالت مستقیم به‌صورت غیرخطی مورد استفاده قرار می‌گیرد که یکی از علل دقت و انعطاف‌پذیری در طراحی نسبت به سایر روش‌ها می‌باشد. هدف این مقاله، طراحی کنترل‌کننده و تخمین‌گر مبتنی بر روش معادله ریکاتی وابسته به حالت است که باوجود اغتشاشات، نویز سیستم‌های اندازه‌گیری و محدودیت‌های سیستم (عملگر و حس‌گرها)، تا حد امکان متغیرهای خروجی سیستم به مقدار طراحی (مطلوب) نزدیک شده و رفتار سیستم به رفتار حقیقی ربات نزدیک‌تر می‌شود. در این پژوهش ابتدا فرمولاسیون کنترل‌کننده و رویت‌گر بیان گردیده است، سپس این روند برای بازوی سه درجه آزادی با مفاصل انعطاف‌پذیر طراحی و شبیه‌سازی شده است. در ادامه فرایند طراحی به‌صورت تجربی برای ربات آزمایشگاهی اسکات پیاده‌سازی شده و نتایج صحه‌گذاری به‌دست آمده است.