参数辨识垃圾总结1自看

参数辨识三种方法

(1)解体测量方法:只能得到机械臂的惯性参数值,无法计算关节因素如关节弹性、摩擦的作用,必然引起较大的力矩偏差。

(2)CAD测量方法:无法对实际机器人关节中存在的复杂因素进行模拟

(3)整体辨识方法:给机器人的待辨识关节一个设计好的轨迹,机器人沿预设轨迹运动过程中,采集关节的驱动力矩及关节转角数据,将采样值带入到辨识模型中,通过算法求解出惯性参数的值。

一般都是采用整体辨识方法。

动力学参数辨识方案完整过程:

建立动力学模型,对动力学模型进行线化(辨识模型,得到用于动力学参数辨识的线性模型)、参数独立性分析及最小参数集、辨识轨迹优化、辨识算法构造参数采集与处理、实验验证。(耿令波)

建模、激励轨迹设计、数据采样及处理、参数估计、模型验证(吴文祥)

看了多篇论文主要差异体现在辨识算法构造、参数采集与处理两点,考虑从这两方面着手选择方向深入挖掘。

  • 机器人动力学参数辨识的目标

          使机器人跟踪特定激励轨迹,更加精确

 

  • 影响动力学建模精度的因素

实际情况中,存在众多因素影响动力学建模以及计算精度。有些影响因素无法建模或者无法精确建模,其次考虑因素越多,建立的动力学模型就会越复杂,

对控制硬件要求提高,增加控制成本,降低动力学计算的实时性。

1.结构参数

使用D-H方法描述串联机器人,相邻关节坐标系间的旋转变换矩阵为:

其中每个关节有4个参数(也叫运动学参数),分别为:a:相邻坐标系Z轴公垂线长度; α:相邻坐标系Z轴间的夹角; d:相邻坐标系x轴公垂线长度;

θ :相邻坐标系x轴间的夹角。

         D-H方法不足:所有运动都是关于x和z的,无法表示关于y轴的运动。

2.惯性参数

作为已知值带入。受机器人加工、装配误差以及材料分布不均等的影响。

3.摩擦参数

一般采用线性摩擦模型:

  

 

为摩擦力矩,˙为库伦摩擦系数,˙为符号函数,满足。因此,完整的动力学参数模型可以写成向量的形式为:

Pdyn=(Ixx,Ixx,Ixy,Ixz,Iyy,Iyz,Izz,Hx,Hy,Hz,m,fc,fv,)T

,其中Pdyn为动力学参数辨识的辨识对象,每个关节均包含10个机械臂惯性参数及2个关节摩擦参数

4.弹性

5.关节间的耦合

除了惯性参数及摩擦外,其他各因素不会产生附加的参数,因此动力学参数主要包括机械臂的惯性参数及摩擦参数。提高精度和降低成本两方面考虑,

采用动力学参数辨识的方式,在不改变动力学模型前提下,把其它因素的作用通过辨识过程包含进机械臂的惯性参数中,得到满足要求的综合参数。

三、数据采集:

首先得到最小参数集(相互独立的参数集合),从而保证辨识参数之间的独立性,使高精度的辨识结果成为可能。M.Gautier曾分别提出基于数值和符

号推导的两种最小参数集求解方法。

数据采集区别主要体现在力矩的采集上,关节运动参数、角速度、加速度由安装在电机上的编码器测得;力矩采集:力传感器直接测量和通过电机电流间接测量。

电流间接测量:将电机控制器的电流信号及轴向编码器的转角信号输出,通过电流测量值获得电机驱动力矩的大小。电机电流与驱动力矩关系:

其中,τ为关节力矩,k为电机转矩常数,ic 为电机驱动电流。

四、动力学建模

机器人动力学模型体现机器人内在的力与运动的关系。基于模型的控制器可以给出机器人进行目标运动所需要的力矩值(力矩对应机器人理想的

转角和角速度及加速度),因此能够实现对轨迹的精确跟踪。

动力学模型包含3类参数:运动学参数、惯性参数和摩擦参数。运动学参数包含连杆长度、扭角和偏置,是已知的。惯性参数包含连杆质量、

一节质量矩和惯性矩。摩擦参数

目前用于工业机器人动力学建模的方法有很多,比如牛顿欧拉方法、拉格朗日方法、高斯方法、凯恩方法,算子代数法等。对于确定的工业机器人系统,

不同的建模方法得到的动力学模型是等价的。可以表示为:

,

其中,q为关节角向量 Dq为惯性项(正定对称惯性矩阵),Cq,q 为科氏力及离心力项,G(q)为重力项,每一项都是机器人惯性参数与关节

运动参数的函数。机器人的10个惯性参数用向量形式可表示为

Piner=(Ixx,Ixx,Ixy,Ixz,Iyy,Iyz,Izz,Hx,Hy,Hz,m),

 其中,参数Ixx~Izz是机器人惯性项量I中的6个参数,                      Hx,Hy,HzH=m×=m(rcx,rcy,rcz)的3个分量(为质心向量)

(1)牛顿欧拉方法建模

牛顿欧拉方法采用递推形式,易于编程实现。基于力平衡方程和力矩平衡方程两个基本方程:

表示作用于机械臂质心处的合力,表示机械臂质心的线加速度,表示作用于机械臂质心处的合力矩,表示相对机械臂质心表示的

机械臂惯量矩阵,α表示机械臂角的加速度,ω表示机械臂的角速度。牛顿欧拉动力学建模方法包括两部分,正向运动学递推及反向动力学递推:

 

五、辨识(激励)轨迹选择

    (1)J.Swevers提出的傅里叶级数型的辨识轨迹:

                    q=q0+i=1NaisinφfikTs+i=1N(bicosφfikTs),

其中aibi为轨迹的系数,φf为轨迹的基频,K为采样个数,Ts为采样周期。优点:可以通过对转角信号进行离散傅里叶变换直接求出角速度、

加速度的表达式,无需对关节转角信号进行微分,减小了由于微分引起的噪声,使得辨识结果对于干扰的抑制能力加强。

缺点:傅里叶级数不满足速度、加速度的边界条件。因而,在实验的开始和结束阶段,存在速度和加速度的涂遍,导致机器人颤振,

难以准确跟踪激励轨迹,进而降低参数辨识的精度。

     (2) 吴文祥 基于傅里叶技术改进

          添加边界条件,并未增加优化问题的自由度。优点:更准确跟踪激励轨迹,为采用解析法计算角速度、角加速度信号奠定基础。

(3).激励轨迹优化

为提高辨识精度,需选取合适的指标函数优化激励轨迹.Swevers等采用d最优准则优化激励轨迹.

Antonelli通过最小化观测矩阵的条件数,同时最大化观测矩阵的最小奇异值来优化激励轨迹.Kostic等采用观测矩阵的条件数作为优化准则

六、辨识算法选择:

可用于动力学参数辨识的算法:神经网络辨识,遗传算法辨识,最大似然估计辨识、卡尔曼滤波算法辨识、最小二乘法辨识等。

(1)最经典的最小二乘法(见耿令波,李保丰

数据处理量大,方法构造简单,参数设置无需任何经验,无需将动力学转换为状态方程的形式。

(2)神经网络算法

处理线性问题时效率低

(3)最大似然估计(见吴文祥)

测量噪声会影响参数估计的精度

 (4)粒子群算法(见傅霞君)

对机械臂进行离线识别。该方法简单有效,无需附加传感器。将待识别参数分为线性和非线性部分,

并对其分别采用线性最小二乘法和粒子群算法进行结算,从而得到机械臂的动力学参数和摩擦系数。

 

连接组合体的辨识方法;通过将关节进行锁定,每次都相当于辨识最末关节的参数,参数数目大大减少;各次辨识相互独立,

精度相当,不会引起大的误差累积:另外,由于每次都相当于辨识最末关节,得到的是连接组合体参数的独立值,

每个关节的最小参数集参数可由连接组合体的参数表示,当负载改变时,连接组合体的参数是可求的,因此辨识结果不受负载变化影响。

 

看论文模仿一篇的粗糙思路

建立动力学模型,                 牛顿欧拉方法建模

模型进行线化(辨识模型)、          

最小参数集、                  惯性力矩: 瞬时角速度、线速度、角加速度  

辨识轨迹优                   傅里叶级数轨迹

轨迹优化           看的论文大都是针对某具体的机械臂进行优化,

 

辨识算法构造、             最小二乘法+???神经网络

+粒子群算法(已知采用的多)

参数采集与处理、     

     

实验验证                           matlab

 

 

 


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