[发明专利]一种基于量子粒子群算法的空间机器人预测控制方法

摘要

本发明提供了一种基于量子粒子群算法的空间机器人预测控制方法，首先基于扩展机械臂法建立空间机器人系统的拉格朗日动力学模型，将其与运动学模型结合建立离散化的状态空间模型；然后，基于系统扩展状态空间模型和拉盖尔多项式设计相应的离散模型预测控制器，最后，采用量子粒子群算法对约束情况下的性能指标进行滚动优化，并对预测误差进行反馈校正，从而实现末端对期望轨迹的有效跟踪。本发明能够在给定约束的情况下实现对末端期望轨迹的有效跟踪，并且不需要事先进行任务空间轨迹规划；能避免出现多约束情况下采用常规二次规划算法找不到全局最优解的情况；能在满足跟踪精度要求的同时对能量消耗进行优化。

主权项

一种基于量子粒子群算法的空间机器人预测控制方法，其特征在于包括下述步骤：(1)基于动量守恒的原理建立空间机器人速度级运动学模型，求出系统的广义雅克比矩阵；将系统基座看成虚拟连杆，采用扩展机械臂法建立空间机器人拉格朗日动力学模型；然后选取系统的状态变量、输入变量以及输出变量，结合运动学模型和动力学模型，建立离散化的系统状态空间模型；(2)引入扩展状态变量，基于系统状态空间模型建立关于控制输入增量的扩展状态空间模型；应用拉盖尔函数将控制输入增量表示为拉盖尔多项式的形式，在此基础上给定系统的性能指标，并将其转化为二次型性能指标；(3)引入系统输入约束和状态约束，基于拉盖尔多项式，将系统输入约束和状态约束转化为关于待优化参数的矩阵不等式；该矩阵不等式与步骤(2)中的二次型性能指标联立，构成一个受线性不等式约束的二次规划问题；(4)在二次型性能指标中引入惩罚函数对不等式约束进行处理，在此基础上采用量子粒子群算法对二次规划问题进行优化求解，得到下一时刻系统的控制输入；(5)用得到的控制输入更新系统状态，重复上述步骤，直至控制过程结束。