內容簡介

本書介紹瞭機器人的建模、仿真和控製方法，主要內容包括：綫性係統、機械係統、伺服電動機的建模，非綫性係統的計算機仿真，綫性係統及其穩定性和狀態控製器，綫性控製係統的能控性與能觀性，綫性化控製及非綫性係統的穩定性等。本書適閤作為自動控製相關專業的教材，也可以作為機器人方麵專業人士的參考書。

作者簡介

Luc Jaulin，機器人學教授，就職於ENSTA-Bretagne（ENSTA為法國高等科技學院，Bretagne為法國國立海軍工程學院，是ENSTA的一個組成部分，隸屬於法國國防部，位於法國西北部歐洲海洋科技的中心港口布雷斯特市），在Technopole Brest-Iroise旗下STICC實驗室從事水下機器人和航海機器人相關的研究工作。

目錄

Automation for Robotics

譯者序
前言
第1章建模
1��1綫性係統
1��2機械係統
1��3伺服電動機
1��4習題
1��5習題解答
第2章仿真
2��1嚮量場的概念
2��2圖形錶示
2��2��1模式
2��2��2鏇轉矩陣
2��2��3齊次坐標
2��3仿真
2��3��1歐拉法
2��3��2龍格庫塔法
2��3��3泰勒法
2��4習題
2��5習題解答
第3章綫性係統
3��1穩定性
3��2拉普拉斯變換
3��2��1拉普拉斯變量
3��2��2傳遞函數
3��2��3拉普拉斯變換
3��2��4輸入輸齣關係
3��3狀態方程與傳遞函數的關係
3��4習題
3��5習題解答
第4章綫性控製
4��1能控性和能觀性
4��2狀態反饋控製
4��3輸齣反饋控製
4��4小結
4��5習題
4��6習題解答
第5章綫性化控製
5��1綫性化
5��1��1函數的綫性化
5��1��2動態係統的綫性化
5��1��3工作點附近的綫性化
5��2非綫性係統的穩定性
5��3習題
5��4習題解答
術語錶
參考文獻

前言/序言

　　前言AutomationforRoboticsⅠ��1狀態錶達式與我們緊密相關的生物、經濟和機械係統通常都可以用如下微分方程來描述：

　　x·(t)=f(x(t)+u(t))y(t)=g(x(t)+u(t))假設該係統的時間t是連續的［JAU05］，u(t)是係統的輸入（或控製）嚮量，y(t)是以一定精度檢測齣的係統輸齣嚮量。嚮量x(t)稱為係統的狀態，它錶示係統的記憶，或者說當係統輸入為u(t)時預測係統結果所需的信息。方程組中的第一個方程稱為演化方程，該方程是一個微分方程，它給齣瞭t時刻的狀態嚮量x(t)的當前值和施加的控製嚮量u(t)。第二個方程稱為觀測方程，它用來計算t時刻在已知狀態和控製時的輸齣嚮量y(t)。注意，觀測方程不同於演化方程，由於它不包含導數項，因此它不是微分方程。這兩個方程構成瞭係統的狀態錶達式。

　　有時我們用離散時間k來描述上麵的狀態方程，這裏k∈Z，Z是整數集，例如計算機就是一個離散時間係統，它的離散時間k與微處理器的時鍾同步。離散時間係統通常用下述遞歸方程描述：

　　x(k+1)=f(x(k)+u(k))y(k)=g(x(k)+u(k))本書的第一個目的是通過多做習題來瞭解狀態錶達的概念。為此，我們在第1章安排瞭各種各樣的習題來揭示如何得到狀態錶達式，第2章對這些已知係統的狀態錶達式進行計算機仿真。

　　本書的第二個目的是提齣由狀態方程描述的係統的控製方法。換句話說，我們試圖構建自動機械係統（人除瞭給齣命令或設定點外，並不包含在係統中），控製器能夠使係統按人的意願進行控製（按人的需要對係統的行為進行改變）。為此，控製器將根據輸齣y(t)（或多或少有噪聲）和設定點w(t)計算係統的輸入u(t)（見圖Ⅰ��1）。

　　圖Ⅰ��1閉環控製係統概念圖從用戶的角度來看，具有輸入w(t)和輸齣y(t)的閉環係統將産生閤適的行為，這樣就可以說我們控製瞭該係統。為瞭實現這個控製目標，首先來看看綫性係統，也就是說，函數f和g假定是綫性的。因此在連續時間的情況下，係統的狀態方程可寫成如下形式：

　　x·(t)=Ax(t)+Bu(t)y(t)=Cx(t)+Du(t)在離散時間情況下，它可寫為x(k+1)=Ax(k)+Bu(k)y(k)=Cx(k)+Du(k)矩陣A、B、C、D分彆稱為演化、控製、觀測和直接矩陣。係統的詳細分析將在第3章進行，第4章將介紹如何使這些係統穩定，最後在第5章將像綫性係統分析一樣介紹工作點附近的非綫性係統行為。對於那些工作點附近的非綫性係統，可以采用與綫性係統相同的方法進行穩定性的分析。

　　與本書有關的許多MATLAB程序可從以下網址得到：

　　http://www�眅nsta�瞓retagne�眆r/jaulin/isteauto�県tmlⅠ��2習題習題Ⅰ��1——水下機器人法國國立布列塔尼高等先進技術學校（SNSAT）的水下機器人Saucisse控製係統［JAU09］的照片如圖Ⅰ��2所示。該係統包含1颱計算機、3個螺鏇槳、1颱攝像機、1個羅盤和1颱聲呐裝置。什麼是該係統對應的輸入嚮量u、輸齣嚮量y、狀態嚮量x和設定點w？計算機位於控製迴路的什麼位置？圖Ⅰ��2水下機器人的控製習題Ⅰ��2——帆船機器人圖Ⅰ��3是法國海洋開發研究所（FRIES）和SNSAT的帆船機器人Vaimos控製係統［JAU12a,JAU12b］。該係統能夠自主跟蹤航綫，它有1颱安裝在桅杆頂部的風速儀、1個羅盤和1颱全球定位係統（GPS）。請給齣該係統對應的輸入嚮量u、輸齣嚮量y、狀態嚮量x和設定點w。

　　圖Ⅰ��3Vaimos依據風帆逆風行駛路綫形成的麯摺多變的航跡Ⅰ��3習題解答習題Ⅰ��1的解答輸入嚮量u∈R3為3個螺鏇槳的給定電壓，輸齣嚮量y(t)包括羅盤、聲呐數據和攝像機獲取的圖像，狀態嚮量x對應機器人的位置、方嚮和速度，設定點w由操作者選定。例如，如果我們要進行航綫控製，那麼設定點w就是機器人的期望速度和路徑。控製器是由計算機執行的程序。

　　習題Ⅰ��2的解答輸入嚮量u∈R2為帆船的長度δmaxv和船舵的角度δg，輸齣嚮量y∈R4包含GPS的數據m、超聲風速儀（桅杆上的風速儀）ψ和羅盤θ，設定點w對應要跟蹤的航綫段ab。圖Ⅰ��4顯示瞭該控製迴路。操作者（未齣現在圖中）以機器人跟蹤期望路徑的方式分段跟蹤航綫序列（這裏由12條綫段形成一個方形路綫，然後返迴港口）。

　　圖Ⅰ��4帆船機器人的控製迴路

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