[發(fā)明專利]基于滑模技術的有纜水下機器人海底定點著陸飽和控制方法

有效

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• 申請日: 2019-05-14
• 公開（公告）號: CN110007604B
• 公開（公告）日: 2021-09-28
• 發(fā)明（設計）人: 孫延超;魏彤錦;秦洪德;張棟梁;張佩;張子洋;李凌宇
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 劉冰

1.基于滑模技術的有纜水下機器人海底定點著陸飽和控制方法，其特征在于：所述方法具體過程為：

步驟一、建立ROV模型；具體過程為：

ROV的動力學方程：采用基于Fossen的六自由度非線性模型表示為：

式中：η為ROV在固定坐標系下的六自由度位置與姿態(tài)值，η＝[x,y,z,φ,θ,ψ]^T；x為ROV在x軸方向的位移，y為ROV在y軸方向的位移，z為ROV在z軸方向的位移，φ為ROV的橫傾角，θ為ROV的縱傾角，ψ為搖首角；為ROV在固定坐標系下的六自由度位置與姿態(tài)值對時間的一階導數(shù)；為ROV在固定坐標系下的六自由度位置與姿態(tài)值對時間的二階導數(shù)；T為轉置；

M為質量慣性矩陣；M^*為慣性坐標系轉換到運動坐標系后的質量慣性矩陣，M^*＝J^-TMJ^-1，J為慣性坐標系轉換到運動坐標系的轉換矩陣；

C_RB為剛體的科氏力和向心力矩陣；為慣性坐標系轉換到運動坐標系后剛體的科氏力和向心力矩陣；

C_A為附加質量的科氏力和向心力矩陣；為慣性坐標系轉換到運動坐標系后附加質量的科氏力和向心力矩陣,

D為水動力阻尼矩陣；D^*為慣性坐標系轉換到運動坐標系后的水動力阻尼矩陣，D^*＝J^-TDJ^-1；

g為重力和浮力產(chǎn)生的力和力矩向量；g^*為慣性坐標系轉換到運動坐標系后重力和浮力產(chǎn)生的力和力矩向量，g^*＝J^-Tg；

τ為控制系統(tǒng)產(chǎn)生的控制力和力矩；τ^*為慣性坐標系轉換到運動坐標系后控制系統(tǒng)產(chǎn)生的控制力和力矩，τ^*＝J^-Tτ；

步驟二、基于步驟一建立改進的滑模變結構控制；

步驟三、基于步驟一、步驟二引入輸入飽和函數(shù)；

步驟四、基于步驟一、二、三建立考慮飽和的改進滑模變結構控制；

所述步驟二中基于步驟一建立改進的滑模變結構控制；具體過程為：

改進的滑模變結構控制律如下：

其中，c為滑模參數(shù)，e為跟蹤誤差，為跟蹤誤差對時間的導數(shù)；為剛體的科氏力和向心力矩陣與附加質量的科氏力和向心力矩陣之和，C^*為坐標變換后剛體的科氏力和向心力矩陣與附加質量的科氏力和向心力矩陣之和，tanh(s)為雙曲正切函數(shù)，s為滑模變量；

所述步驟三中基于步驟一、步驟二引入輸入飽和函數(shù)；具體過程為：

定義飽和函數(shù)如下：

sat(τ)＝[sat(τ₁),sat(τ₂),sat(τ₃),sat(τ₄),sat(τ₅),sat(τ₆)]^T

sat(τ_i)＝sgn(τ_i)min{τ_imax,|τ_i|},i＝1,2,3,4,5,6

其中，τ_imax是飽和函數(shù)sat(τ_i)的幅值；τ_i為在第i個自由度上的控制力；i為1,2,3,4,5,6分別對應沿x軸、沿y軸、沿z軸、繞x軸、繞y軸、繞z軸六個自由度的運動；

設Δτ是控制系統(tǒng)產(chǎn)生的控制力和力矩τ與飽和函數(shù)sat(τ)的差值；

Δτ^*＝sat(τ)^*-τ^*

式中，τ為控制系統(tǒng)產(chǎn)生的控制力和力矩；τ^*為慣性坐標系轉換到運動坐標系后控制系統(tǒng)產(chǎn)生的控制力和力矩，τ^*＝J^-Tτ；Δτ^*為慣性坐標系轉換到運動坐標系后飽和函數(shù)sat(τ)^*與τ^*的差值；

假定：存在一個非負實數(shù)θ′滿足下列關系：

||Δτ^*||≤θ′

令μ＝θ²

式中，μ、均為飽和中間變量；為對應飽和中間變量的一階導數(shù)；

提出控制律中的飽和項如下：

其中，β₀、δ為飽和參數(shù)；

所述步驟四中基于步驟一、二、三建立考慮飽和的改進滑模變結構控制；具體過程為：

考慮飽和的改進滑模變結構控制的控制律如下：

其中，β₀、δ為飽和參數(shù)，c為滑模參數(shù)，s為滑模變量；t為時間變量。

2.根據(jù)權利要求1所述的基于滑模技術的有纜水下機器人海底定點著陸飽和控制方法，其特征在于：所述步驟一中慣性坐標系轉換到運動坐標系的轉換矩陣J表達式為：

其中，

式中，s′為正弦函數(shù)sin；c′為余弦函數(shù)cos；t′為正切函數(shù)tan；為位移轉換矩陣；T′為姿態(tài)轉換矩陣。