[發(fā)明專利]一種針對(duì)不確定水下機(jī)器人的自適應(yīng)快速速度跟蹤控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201911303919.7
• 申請(qǐng)日: 2019-12-17
• 公開（公告）號(hào): CN110908389B
• 公開（公告）日: 2021-07-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊亞娜;陳奕行;甘露;李軍朋;華長春
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 燕山大學(xué)
• 主分類號(hào): G05D1/06
• 分類號(hào): G05D1/06
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責(zé)任公司 21212
• 代理人: 趙淑梅;李洪福

一種針對(duì)不確定水下機(jī)器人的自適應(yīng)快速速度跟蹤控制方法，包括如下步驟：針對(duì)水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，根據(jù)機(jī)器人實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)控制目標(biāo)；并利用時(shí)延估計(jì)技術(shù)在線估計(jì)系統(tǒng)模型不確定部分和未知外界干擾,進(jìn)一步設(shè)計(jì)一個(gè)積分終端滑模面；基于積分終端滑模面和水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，設(shè)計(jì)自適應(yīng)控制器，定義控制律中增益變量；利用Lyapunov方程證明系統(tǒng)的穩(wěn)定性，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)積分終端滑模面和自適應(yīng)控制器的合理性。本發(fā)明解決了現(xiàn)有控制器依賴于水下機(jī)器人模型信息的問題，即所設(shè)計(jì)控制器獨(dú)立于系統(tǒng)模型，從而克服了模型不確定性和未知干擾對(duì)水下機(jī)器人系統(tǒng)的影響，提高了系統(tǒng)的魯棒性能、簡化了控制器設(shè)計(jì),更利于在工程實(shí)際中應(yīng)用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及水下機(jī)器人系統(tǒng)控制領(lǐng)域，尤其涉及一種針對(duì)不確定水下機(jī)器人的自適應(yīng)快速速度跟蹤控制方法。

背景技術(shù)

水下機(jī)器人主要用于水下檢測(cè)及信息收集，常被用于河堤大壩水況監(jiān)測(cè)、河道橋墩水下信息收集，近海碼頭港口檢修以及船舶外體水下檢測(cè)、海上油氣勘探等商業(yè)、科學(xué)和軍事領(lǐng)域。目前，水下機(jī)器人的控制面臨很大的挑戰(zhàn)，一方面由于本身具有很強(qiáng)的非線性系統(tǒng)，另一方面水下機(jī)器人大多應(yīng)用未知環(huán)境的水下探測(cè)。水下機(jī)器人由于其強(qiáng)非線性和耦合性，運(yùn)動(dòng)參數(shù)不確定性以及工作環(huán)境復(fù)雜，易受外界干擾影響，水下機(jī)器人對(duì)控制性能的要求不斷提高，需要控制算法的不斷改進(jìn)，控制精度的不斷提高。收斂時(shí)間長和外部干擾對(duì)水下機(jī)器人系統(tǒng)的控制產(chǎn)生了影響，因此需要提出新的控制方法來補(bǔ)償干擾，保證跟蹤的穩(wěn)定性和精度。

針對(duì)系統(tǒng)的不確定性、擾動(dòng)和有界外部擾動(dòng)，滑模控制是很重要且有效的方法，因?yàn)樗鼘?duì)系統(tǒng)不確定性和外部擾動(dòng)具有很強(qiáng)的魯棒性。很多滑模控制都只能保證漸進(jìn)誤差收斂，不能保證有限時(shí)間誤差收斂。而時(shí)延估計(jì)可以用來估計(jì)非線性和不確定系統(tǒng)，減少抖震，然而和傳統(tǒng)滑模結(jié)合可能引起奇異性問題，跟蹤精度也不高。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種跟蹤精度高、減少抖震、魯棒性好、克服參數(shù)不確定性和未知干擾對(duì)水下機(jī)器人影響的基于時(shí)延估計(jì)的一種針對(duì)不確定水下機(jī)器人的自適應(yīng)快速速度跟蹤控制方法。

本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下：

本發(fā)明所提出的一種針對(duì)不確定水下機(jī)器人的自適應(yīng)快速速度跟蹤控制方法，該方法包括以下步驟：步驟S1，針對(duì)水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求設(shè)計(jì)控制目標(biāo)，利用時(shí)延估計(jì)技術(shù)在線估計(jì)系統(tǒng)的模型不確定部分和外界干擾；步驟S2，基于所設(shè)計(jì)的控制目標(biāo)設(shè)計(jì)一種能保證速度快速跟蹤的積分終端滑模面；S3基于所設(shè)計(jì)的積分終端滑模面和水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，設(shè)計(jì)自適應(yīng)控制器，定義控制器中增益變量；步驟S4，利用Lyapunov方程證明系統(tǒng)的穩(wěn)定性，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)積分終端滑模面和自適應(yīng)控制器的合理性，最終證明基于所設(shè)計(jì)的自適應(yīng)控制器，水下機(jī)器人系統(tǒng)在系統(tǒng)模型不確定和外界干擾存在的情形況下仍能穩(wěn)定運(yùn)行。

進(jìn)一步的，所述步驟S1中，針對(duì)水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，測(cè)量水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型中涉及的水下機(jī)器人系統(tǒng)參數(shù)，并設(shè)計(jì)控制目標(biāo)，

水下機(jī)器人的系統(tǒng)參數(shù)：M∈R^6×6為質(zhì)量慣性矩陣，C(ν)∈R^6×6為科氏力和向心力矩陣，D(ν)∈R^6×6為非線性阻尼矩陣，g(η)∈R⁶為重力與浮力矩陣，τ_d∈R⁶為時(shí)變外部干擾，τ∈R⁶為控制輸入；η＝[x,y,z,φ,θ,ψ]^T∈R⁶為靜坐標(biāo)系下水下機(jī)器人的位移和角度量，φ,θ,ψ分別為橫滾角、縱傾角、艏向角，x,y,z為在靜坐標(biāo)系中的位置；ν＝[u,v,w,p,q,r]^T為動(dòng)坐標(biāo)系下水下機(jī)器人的速度和角速度向量，u,v,w分別代表在x,y,z軸的速度，p,q,r為角速度；為靜坐標(biāo)系下六自由度位置和方向矢量對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)，上標(biāo)T為求相應(yīng)向量的轉(zhuǎn)置；

由運(yùn)動(dòng)學(xué)模型(1)得到期望跟蹤速度：