[發明專利]一種基于模糊滑模算法的水下機器人自主避障控制方法

有效

• 申請號: 202011056659.0
• 申請日: 2020-09-30
• 公開（公告）號: CN112147899B
• 公開（公告）日: 2022-05-20
• 發明（設計）人: 劉愛民;孟繁貴;李英颯
• 申請（專利權）人: 沈陽工業大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 李在川

1.一種基于模糊滑模算法的水下機器人自主避障控制方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1：建立水下機器人在水平面的推力分布以及運動學模型；給定水下機器人的運動路線，行駛速度以及外界擾動，設置障礙物，障礙物的位置和大小未知；

步驟2：水下機器人根據給定的運動路線和行駛速度進行路徑跟蹤，同時由聲納檢測其前方是否存在障礙物；

步驟3：若聲納檢測到障礙物時，根據聲納探測的水下機器人與障礙物之間的距離，采用模糊滑模算法調整水下機器人的速度以及航向角，完成避障行為；

所述采用模糊滑模算法調整水下機器人的速度以及航向角的過程如下：

步驟3.1：根據水下機器人推力分布和水平面運動學模型，設置變量x₁、x₂和u_c；

步驟3.1.1：當對水下機器人的速度進行控制時，使變量建立狀態方程：

其中，a₁，a₂和b為時變參數，f為外界擾動，e_su為水下機器人的期望速度u_ref與實際速度u的差值，為速度調控時推進器的推力調整值關于時間的導數；

步驟3.1.2：當對水下機器人的航向角進行控制時，使變量x₁＝e_jiao,建立的狀態方程同步驟3.1.1，其中，e_jiao為水下機器人的期望航向角與實際角度的差值，T″為航向角控制時推進器的推力調整值；

步驟3.2：設計滑模控制器的切換函數以及選取滑模控制率；

步驟3.2.1.1：設計調節速度的滑模控制器的切換函數為：

s_su＝c_sux₁+x₂ c_su＞0

其中，c_su為常量，s_su為滑模控制器的切換函數；

步驟3.2.1.2：選取滑模控制率為：

u_c-su(t)＝ψ_1-sux₁+ψ_2-sux₂

其中：

其中，ψ_1-su和ψ_2-su為調節速度的滑膜控制器的增益，該增益值由模糊控制器選擇，α_1-su、β_1-su、α_2-su、β_2-su均為變量；

步驟3.2.2.1：設計調節航向角的滑模控制器的切換函數為：

s_jiao＝c_jiaox₁+x₂ c_jiao＞0

其中，c_jiao為常量，s_jiao為滑模控制器的切換函數；

步驟3.2.2.2：選取滑模控制率為：

u_c-jiao(t)＝ψ_1-jiaox₁+ψ_2-jiaox₂

其中：

其中，ψ_1-jiao和ψ_2-jiao為調節航向角的滑膜控制器的增益，該增益值由模糊控制器選擇，α_1-jiao、β_1-jiao、α_2-jiao、β_2-jiao均為變量；

步驟3.3：水下機器人的實際速度與期望速度的差值經模糊控制器調節輸出調節速度的滑模模塊的比例切換控制的增益，水下機器人的實際航向角與期望航向角的差值經模糊控制器調節輸出調節航向角的滑模模塊的比例切換控制的增益；

步驟3.4：當水下機器人的期望速度u_ref與實際速度u的差值為x₁，x₂為x₁關于時間的導數時，根據滑模控制率得到u_c-su后，對時間積分即可得到T′；

步驟3.5：當水下機器人的期望航向角與實際角度的差值為x₁，x₂為x₁關于時間的導數時，根據滑模控制率得到的u_c-jiao，即為T″；

步驟3.6：推進器的推力T表示為：T＝T′+T″；

步驟4：水下機器人躲避障礙物后需要根據當前位置與給定的運動路線中目標點的位置重新規劃路線，勻速直線行駛向目標點，轉至執行步驟2；

步驟5：若沒有檢測到障礙物，待水下機器人到達給定運動路線的目標點后，完成任務。