[發明專利]一種蠕蟲管道機器人滑模優化控制器設計方法

有效

• 申請號: 202011362671.4
• 申請日: 2020-11-27
• 公開（公告）號: CN112540536B
• 公開（公告）日: 2022-04-22
• 發明（設計）人: 肖玲斐;黃欣浩;孟祥碩;陳勇興
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 陳國強

本發明公開了一種蠕蟲管道機器人滑模優化控制器設計方法，包括以下步驟：(1)首先對蠕蟲管道機器人進行受力分析；(2)構建蠕蟲管道機器人不確定性狀態空間模型，并設計滑模面，根據滑模控制理論，設計具有擾動估計器的滑模控制律；(3)設計蠕蟲管道機器人滑模優化控制器，并使用灰狼優化算法來實現蠕蟲管道機器人的多目標優化控制。本發明針對蠕蟲管道機器人跟蹤控制問題，考慮不確定性對系統的影響，設計了一種蠕蟲管道機器人滑模優化控制器，實現了蠕蟲管道機器人的魯棒跟蹤控制和多目標優化。

技術領域

本發明屬于機器人技術領域，特別涉及一種蠕蟲管道機器人滑模優化控制器設計方法。

背景技術

目前，機器人技術已成為工程領域的一個繁榮領域，在電纜或管道系統的檢測等各個領域發揮著重要作用。管道機器人是保證石油天然氣工業、發電廠等行業安全平穩運行的有效工具。它們還可用于航空航天工業管道測繪，管道內表面探傷，管道清洗和修復等。

管道機器人按結構可分為輪子、螺釘、腿、爬行(蛇形和蠕蟲狀)。爬行機器人與管道內壁的接觸面積最大，可以有效地利用摩擦力。在這種情況下，振動不僅提供了推進力，而且還提供了一種額外的效果，可以擴展機器人的功能。因此，近年來，隨著機器人的推進，類蠕蟲運動系統越來越受到人們的關注。

為了使管道機器人有效地運動，國內外研究人員提出了多種控制方法。[1]提出了一種開環控制的恒頻電磁力管道機器人仿蠕蟲運動系統。[2]分析了正弦平方應變波驅動的蝸桿運動系統。[3]研究了一種基于折紙的蚯蚓狀移動機器人，沒有反饋控制。[4]提出了一種螺距率可控的螺紋管檢測機器人閉環最優控制方法。然而，上述研究并未考慮到系統中不可避免的不確定性。[5]采用自適應控制方法，考慮了人工非標準蛇形運動系統的步態轉換。[6]研究了具有自適應控制步態轉換的多節段人工移動系統。然而，這兩種方法都沒有考慮到優化問題。

顯然，在管內機器人仿蠕蟲運動系統的控制中，系統中的某些參數是未知的。例如，摩擦系數可以是未知的或在崎嶇的地形中發生變化。此外，系統受到不同的干擾。這些原因導致了不確定性系統。通常有兩種方法來處理不確定性：自適應控制方法和魯棒控制方法。

滑模控制(SMC)是一種適用于非線性不確定系統的魯棒控制方法。它已廣泛應用于機器人、機電、航空發動機等領域。SMC的策略很簡單，SMC閉環系統的設計分為兩個步驟。一個是指定一個合適的滑模面，另一個是構造一個有效的控制信號，迫使系統狀態到達滑模面并保持在滑模面上。雖然SMC的原理很簡潔，但實際對象的控制器設計需要詳細說明。如果被控系統復雜且具有強非線性，如管內機器人的蝸桿運動系統，則很難指定合適的滑模面，且不易獲得有效的控制信號。

在實際應用中，期望能滿足跟蹤誤差最小化、輸入能量消耗最小化等性能優化要求。通常，一種方便、高效的優化算法受到控制領域工程師的歡迎。因此，有許多智能優化算法被應用到控制系統的設計中，包括機器人控制系統。2014年，提出了一種灰狼優化算法Grey-Wolf Optimizer(GWO)[7]。它模擬了灰狼的捕食行為。由于GWO易于實現且精度很高，近年來在許多應用中得到了應用。

本發明考慮蠕蟲管道機器人中不可避免的未建模動力學、參數攝動和外界干擾，提出基于GWO的滑模優化控制方法，保證了蠕蟲管道機器人的強魯棒性和高跟蹤精度，同時實現了蠕蟲管道機器人的多目標優化。

參考文獻：

[1]Robert R.Sattarov and Marsel A.Almaev.Electromagnetic worm-likelocomotion system for