[發(fā)明專利]一種自治水下機(jī)器人及路徑跟隨控制方法、裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910188002.0
• 申請(qǐng)日: 2019-03-13
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109976384B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-02-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馬瑋城;宦智杰;徐敏
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 廈門理工學(xué)院
• 主分類號(hào): G05D1/12
• 分類號(hào): G05D1/12
• 代理公司: 廈門智慧呈睿知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 35222
• 代理人: 楊玉芳

1.一種自治水下機(jī)器人路徑跟隨控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

獲取搭建的自治水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)；其中，所述自治水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)包括推動(dòng)器、負(fù)載、定位模塊以及機(jī)器人基體；

根據(jù)物理學(xué)原理，生成所述自治水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)；其中，所述非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)包括所述自治水下機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型；

接收所述定位模塊獲取的所述自治水下機(jī)器人的實(shí)時(shí)位置，并根據(jù)所述動(dòng)力學(xué)模型對(duì)所述實(shí)時(shí)位置進(jìn)行改寫；

基于自治水下機(jī)器人的干擾項(xiàng)、實(shí)時(shí)位置以及預(yù)設(shè)的輸入-狀態(tài)穩(wěn)定性理論，生成非線性魯棒反步控制器；

基于所述非線性魯棒反步控制器對(duì)自治水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行控制，使得自治水下機(jī)器人自主獨(dú)立完成精確路徑跟隨作業(yè)并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定工作；

所述自治水下機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型為：

其中，m是自治水下機(jī)器人的質(zhì)量；r是自治水下機(jī)器人作業(yè)時(shí)的三維位置坐標(biāo)，且r＝[r_x,r_y,r_z]^T；F_m是所述推動(dòng)器給自治水下機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)力，且F_m＝[F_mx,F_my,F_mz]^T；F_d是自治水下機(jī)器人在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的液體粘滯阻力，且F_d＝[F_dx,F_dy,F_dz]^T；

接收所述定位模塊獲取的所述自治水下機(jī)器人的實(shí)時(shí)位置，并根據(jù)所述動(dòng)力學(xué)模型對(duì)所述實(shí)時(shí)位置進(jìn)行改寫的步驟為：

將所述自治水下機(jī)器人的外觀簡(jiǎn)化成球形，由斯托克斯公式得，

F_d＝6πηRυ (2)

其中，η為自治水下機(jī)器人所處水環(huán)境的液體粘滯系數(shù)，R為自治水下機(jī)器人的半徑，υ＝[v_x,v_y,v_z]^T為自治水下機(jī)器人在水下作業(yè)時(shí)相對(duì)水環(huán)境的運(yùn)動(dòng)速度；

定義r_d為自治水下機(jī)器人作業(yè)時(shí)的預(yù)設(shè)路徑坐標(biāo)，r_o為自治水下機(jī)器人作業(yè)時(shí)由所述定位模塊獲得的實(shí)時(shí)位置的坐標(biāo)，并對(duì)自治水下機(jī)器人水下作業(yè)時(shí)的路徑跟隨控制目標(biāo)可轉(zhuǎn)換成使位置誤差e＝r_d-r_o以及趨于0；

將公式(1)改寫成狀態(tài)空間表達(dá)式，進(jìn)一步定義公式(1)變?yōu)椋?/p>

其中，以及

所述自治水下機(jī)器人的干擾項(xiàng)包括自治水下機(jī)器人水下作業(yè)時(shí)遇到的風(fēng)、浪、流或深水壓，將所述干擾項(xiàng)歸結(jié)至系數(shù)Δ＝[Δ_x，Δ_y，Δ_z]^T中，并把Δ看成未知的有界系數(shù)向量，則公式(1)變?yōu)椋?/p>

轉(zhuǎn)換成狀態(tài)空間表達(dá)式，公式(2)變?yōu)椋?/p>

基于自治水下機(jī)器人的干擾項(xiàng)、實(shí)時(shí)位置與輸入-狀態(tài)穩(wěn)定性理論，生成非線性魯棒反步控制器的步驟包括：

基于輸入-狀態(tài)穩(wěn)定性理論，生成非線性魯棒反步控制器：

其中，k₁，k₂以及δ為非負(fù)控制增益；

對(duì)于所述非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，建立如下的李雅普諾夫函數(shù)：

對(duì)公式(7)進(jìn)行求導(dǎo)得到：

由不等式

其中δ＞0；

將不等式(9)代入公式(8)，可得：

將所述非線性魯棒反步控制器(6)代入不等式(10)，得到：

取一正數(shù)K＝min{k₁，k₂}，不等式(10)可簡(jiǎn)化為：

對(duì)不等式(12)兩邊各乘e^2Kt，并對(duì)其在[0，t]進(jìn)行積分，得到：

對(duì)不等式(13)兩邊各作開(kāi)平方運(yùn)算，并將李雅普諾夫函數(shù)(7)代入不等式(13)，得：

不等式(14)反映整個(gè)路徑跟隨控制系統(tǒng)的輸入-狀態(tài)穩(wěn)定性，并且其表明了在有界未知干擾的作用下，位置跟蹤誤差和速度跟蹤誤差的上界，如此，使得自治水下機(jī)器人自主獨(dú)立完成精確路徑跟隨作業(yè)并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定工作。