[發明專利]一種基于雙閉環自抗擾的水下機器人姿態與位置控制方法

有效

• 申請號: 201711311540.1
• 申請日: 2017-12-11
• 公開（公告）號: CN108196445B
• 公開（公告）日: 2021-02-02
• 發明（設計）人: 袁源;成磊;袁建平;朱占霞;孫沖;張博
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 齊書田

本發明公開了一種基于雙閉環自抗擾的水下機器人姿態與位置控制方法，首先對水下機器人運用動量和矩定理并利用大地坐標系和機體坐標系間的轉換關系，建立動力學模型；設計水下機器人的速度環擴張狀態觀測器觀測未建模和外部擾動并實時補償抑制，使得速度環的抗擾性能大大增加，提高系統的魯棒性；針對速度環高頻震顫的特點，利用擾動觀測值構建基于非線性函數反饋速度環自抗擾控制器；基于非線性函數fhan，設計目標位置信號的跟蹤微分器，給出位置信號的過渡過程和目標速度估計值，避免了系統響應的突變，解決了快速性和超調的矛盾；設計基于位置偏差反饋的水下機器人位置環比例?微分控制器，適于工程應用。

技術領域

本發明屬于水下機器人控制領域，涉及水下機器人的姿態和位置控制方法，具體涉及一種基于雙閉環自抗擾的水下機器人姿態與位置控制方法。

背景技術

隨著人類對海洋資源的開發越來越深入，水下機器人由于其下潛深度大，工作時效久，取代了人工潛水，為人類進行深海資源的研究與開發提供了強有力的工具，因此受到國內外的廣泛關注；受自身復雜動力學特性的影響以及水文擾流的影響，水下機器人彈性機體、推進系統以及結構動態之間的耦合更強，模型的非線性度也更高；此外，受水流的粘性阻力、興波阻力和波浪力影響，水下機器人對外界條件非常敏感。

當前針對水下機器人控制大都集中在基于偏差反饋的非線性控制的設計上；自抗擾是一種預知擾動，通過非線性反饋在線主動抑制擾動的新型控制技術。自抗擾控制器主要包括三個部分，跟蹤微分器，擴張狀態觀測器和非線性狀態誤差反饋。顧名思義，跟蹤微分器用來安排過渡過程和產生跟蹤信號的微分信號。安排過渡過程的目的是降低目標值和當前值的偏差，特別是當跟蹤信號存在階躍信號時，可以有效避免系統震蕩，使當前值無超調情況下最快達到目標值。擴張狀態觀測器是將系統外部擾動和模型內部擾動作為一個擴張的狀態進行觀測，實際上，可以充分利用標稱模型中的已知非線性耦合，以獲得更高的精度。PID利用偏差及其各階導數的線性組合進行反饋，然而，這種線性反饋往往不是最優的；非線性狀態誤差反饋將偏差及其導數進行非線性組合，非線性飽和函數fal(·)和fhan(·)的使用使控制器能夠滿足工程實際中“小偏差，大增益；大偏差，小增益”的調參經驗。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于雙閉環自抗擾的水下機器人姿態與位置控制方法，以克服現有非線性控制器的運算負荷大，不利于工程實現和抗擾能力差的不足，本發明通過建模將水下機器人分為內環速度環和外環角度環，內環使用自抗擾控制器，外環使用PD控制器；內環速度量變化快，并且受誤差影響大，使用自抗擾控制器以獲得更強的魯棒性和更高的精度，位置量一般變化緩慢，使用PD控制就可以獲得足夠的魯棒性；而且控制器設計簡單，計算機運行負載低。

為達到上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種基于雙閉環自抗擾的水下機器人姿態與位置控制方法，包括以下步驟：

步驟一：對水下機器人運用動量矩定理和坐標系間的轉換關系，建立動力學模型；

步驟二：設計水下機器人的速度環擴張狀態觀測器；

步驟三：利用礦長狀態觀測器給出的擾動觀測值構建基于非線性函數反饋速度環控制器；

步驟四：基于非線性函數，設計目標位置信號的跟蹤微分器，給出位置信號的過渡過程和目標速度估計值；

步驟五：設計水下機器人位置環控制器，對水下機器人姿態與位置進行控制。

進一步地，步驟一具體為：水下機器人在大地坐標下的位置量為其中x、y和z是機器人的位置坐標，φ、θ和是機器人的姿態角度；機體坐標系下，機器人的速度量為v＝[μ υ ω p q r]^T，其中，μ、υ和ω為機器人沿機體坐標軸的線速度，p、q和r是機器人繞機體坐標軸的角速度，方向滿足右手螺旋定理，η和ν都是時間t的函數；為沿大地坐標軸的速度向量，通過轉換矩陣J(η)，能夠獲得與ν的轉換關系：