具有集总扰动补偿的广义阻尼固定时间分数阶控制技术在欠驱动建筑机器人中的应用：以自主挖掘机为例

《AUTOMATION IN CONSTRUCTION》：Generalized-damping fixed-time fractional-order control with lumped disturbance compensation for underactuated construction robots: Application to autonomous excavators

　　黄国东|阮国桑|黎英团|陈玄德|冯明赫|阮满强
越南海事大学机械工程学院，海防市，越南

**摘要**
随着建筑机器人技术向完全自主化发展，动态稳定性和运动精度仍然是其在现实环境中可靠部署的关键障碍。欠驱动系统固有的残余振荡对于在不确定和非结构化条件下运行的无人机器尤其具有挑战性。这些振荡会降低控制精度，引起机械应力，危及操作安全，降低传感器准确性，并削弱自主性。为了解决这个问题，本文提出了一种基于阻尼的通用控制框架，用于欠驱动机械系统，该框架采用了拉格朗日动力学。所提出的方法将固定时间分数阶滑模控制与超扭转干扰观测器相结合，以实现高性能控制和实时干扰补偿。全局固定时间收敛到滑模流形得到了保证，从而实现快速稳定并确保高精度跟踪和有效的振动抑制。在软地面上的欠驱动挖掘机上进行的仿真和实验证实了稳定性和跟踪精度的提升，展示了自主建筑机器人的潜力。

**引言**
建筑行业正在经历一场由机器人技术、自动化和人工智能快速进步驱动的深刻变革[1][2]。除了传统上依赖人工劳动和传统机械外，该行业越来越多地采用智能机器人系统来高效、精确且安全地执行复杂、危险和劳动密集型任务[3][4]。已经开发出多种形式的自主建筑平台，包括用于挖掘任务的机器人土方系统[5][6]、具有轨迹规划和抗摇摆功能的自主起重机[7]，以及用于半自主混凝土浇筑的机器人混凝土泵车[9]。最近关于建筑起重机自动化的研究还强调了更安全、更集成的起重机操作[10][11]。更广泛地说，这些平台旨在减少人类接触危险环境的风险，提高操作连续性和准确性，并提升生产力和整体操作可靠性[3][4]。得益于先进的传感技术、鲁棒控制和数据驱动的决策制定，这些机器人能够协作、适应非结构化环境，并在不确定性下保持性能[12]，反映了向可持续性、数字化和技术进步方向发展的全球趋势[1][2]。

尽管在建筑自主化方面取得了实质性进展，但由于普遍存在的欠驱动问题[13][14]，实际应用仍然受到限制。这一术语指的是可用执行器的数量或配置不足以直接驱动所有自由度的系统。因此，控制权限仅限于被驱动的、定义任务的坐标。剩余的未驱动坐标（其中残余振荡主要源于负载相互作用效应、内部结构柔顺性和基础弹性（见第2.2节）只能通过耦合动力学和约束间接影响。这些残余振荡会降低跟踪精度，由于沉降要求而延长任务执行时间，增加不稳定性和翻倒风险，加速磨损，并损坏传感器和视觉信号。这些效应最终阻碍了建筑机器人的可靠自主性，将在第2.1节中进行分析。

**当代欠驱动机械系统的控制**
当代欠驱动机械系统的控制越来越多地采用非线性设计，因为线性方法在强耦合、大偏差或快速变化的负载下难以维持性能[6]。经典工具（如输入整形、反馈线性化和复合方案）在标称条件下可能有效，但在不确定性和测量噪声下会失去稳定性裕度和收敛可靠性[6][15]。在李雅普诺夫框架内，滑模控制（SMC）对匹配的干扰具有鲁棒性，积分变体可以减少稳态误差和参数敏感性；然而，正如巴巴拉特引理通常所示，它们仅保证渐近稳定性[16]。超扭转滑模通过连续律实现有限时间收敛并减少抖动，尽管其对增益调整和干扰规律性仍然敏感[16]。终端滑模和固定时间滑模通过非线性流形加速瞬态响应，但在现场操作中面对不匹配的不确定性和柔顺性时性能可能会下降[6][17][18]。反步控制可以处理复杂的耦合，但随着系统阶数的增加而扩展性较差，通常假设严格的反馈结构和全状态可用性[6][9]。超越整数阶公式，分数阶滑模控制（FOSMC）在滑移变量中引入分数运算符，以在不确定性下重塑误差动态并改善瞬态和跟踪性能[19][20]。最近的研究将米哈伊洛夫准则扩展到分数系统，并采用基于Mittag–Leffler的有限时间条件进行分析和设计[20][21]。可调的分数阶可以扩大设计空间，实现校准的阻尼、带宽和鲁棒性。结合终端或固定时间公式，它可以从大初始条件快速稳定，而不会产生过大的增益，非常适合在具有可变负载的柔顺地面上的欠驱动建筑机器人[6][9][22]。

**应用于自主挖掘机**
在本节中，展示了所提出的控制框架在自主挖掘机上的应用，并提供了仿真和实验验证结果。首先进行仿真研究，以检查不同控制器在时变干扰和柔顺地面效应下的闭环行为。然后在一个缩放的挖掘机原型上进行实验研究，以评估轨迹跟踪精度、振荡抑制和鲁棒性。

**结论**
本文提出了一种基于广义阻尼的固定时间分数阶滑模控制框架，该框架增加了超扭转干扰观测器（STDO-GD-FTFOSMC），用于一类欠驱动建筑机器人。其目标是在不确定和柔顺的地面条件下抑制残余振荡并提高运动精度。所提出的方法系统地将固定时间FOSMC与广义阻尼相结合，以塑造能量耗散和平滑系统运动。

**作者贡献声明**
黄国东：撰写——原始草稿，验证，监督，项目管理，方法论，资金获取，概念化。
阮国桑：可视化，软件，调查，数据管理。
黎英团：撰写——审阅与编辑，验证，监督，调查，形式分析。
陈玄德：可视化，软件，调查，形式分析，数据管理。
冯明赫：撰写——原始草稿，可视化，方法论。
阮满强：

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

**致谢**
本工作得到了越南海事大学的支持。