[發(fā)明專利]一種多電機(jī)協(xié)同推進(jìn)的水下機(jī)器人路徑跟蹤方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011441662.4
• 申請(qǐng)日: 2020-12-08
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112631315B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-05-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 曾慶軍;吳偉;戴曉強(qiáng)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 江蘇科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G05D1/06
• 分類號(hào): G05D1/06
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 徐澍

本發(fā)明公開(kāi)了一種多電機(jī)協(xié)同推進(jìn)水下機(jī)器人路徑跟蹤控制系統(tǒng)，提供了一種能夠按照期望路徑自主航行的水下機(jī)器人控制方法。整個(gè)路徑跟蹤流程包括解算空間誤差，求解電機(jī)期望轉(zhuǎn)速和多電機(jī)控制三部分。在求解空間誤差方面，本發(fā)明通過(guò)視線法求解出空間誤差，得出水下機(jī)器人期望航速下的艏向角與縱傾角。在求解電機(jī)期望轉(zhuǎn)速方面，本發(fā)明提出基于改進(jìn)細(xì)菌菌落優(yōu)化優(yōu)化的模糊算法，通過(guò)改進(jìn)BC0算法優(yōu)化模糊控制器中模糊規(guī)則和隸屬度函數(shù)，降低模糊控制器的矛盾規(guī)則和空擋的不良影響。在多電機(jī)控制系統(tǒng)方面，采用偏差耦合和交叉耦合的控制結(jié)構(gòu)，并提出快速非奇異等效終端滑模控制算法，用切換控制保證系統(tǒng)的狀態(tài)不離開(kāi)滑模面，提高系統(tǒng)的魯棒性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種水下機(jī)器人系統(tǒng)以及控制方法，尤其涉及一種水下機(jī)器人多電機(jī)協(xié)同推進(jìn)與路徑跟蹤系統(tǒng)及控制方法。屬于電機(jī)控制和水下機(jī)器人控制技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

水下機(jī)器人的工作環(huán)境與陸地差異很大，這也導(dǎo)致水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制特性較為特殊。具體表現(xiàn)在：流體的密度和粘性影響著水下機(jī)器人在水下的運(yùn)動(dòng)；水下機(jī)器人航速較慢；海流對(duì)水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)也存在不確定性的干擾。這些都增加了水下機(jī)器人的控制難度，所以其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需具備較強(qiáng)的自適應(yīng)能力以及抗干擾能力等。本發(fā)明旨在提出一種水下機(jī)器人路徑跟蹤控制系統(tǒng)，并將多電機(jī)協(xié)同控制技術(shù)應(yīng)用到水下機(jī)器人的動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人精準(zhǔn)、穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)。

水下機(jī)器人在航行過(guò)程中由于受到外界環(huán)境和自身系統(tǒng)不確定性的影響，會(huì)導(dǎo)致船舶實(shí)際控制效果和預(yù)設(shè)目標(biāo)不一樣，這在水下機(jī)器人路徑跟蹤控制中尤為明顯，比如，水流、波浪會(huì)使水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制性能變差。為了解決水下機(jī)器人路徑跟蹤問(wèn)題，PID控制、最優(yōu)控制、反步法、模型預(yù)測(cè)控制等控制方法均被應(yīng)用至水下機(jī)器人路徑跟蹤控制中，但均有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。如最優(yōu)控制可以處理約束且目標(biāo)函數(shù)具有明確的控制目標(biāo)，但對(duì)模型精度要求比較高，解析過(guò)程復(fù)雜；模型預(yù)測(cè)控制是在最優(yōu)控制的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，可顯式處理多變量約束優(yōu)化控制問(wèn)題，但非線性優(yōu)化問(wèn)題求解速率慢，在實(shí)時(shí)控制中難以滿足實(shí)時(shí)性要求。

保持多電機(jī)的協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)常有兩種方法：一種是機(jī)械方式；另一種是電方式。機(jī)械協(xié)調(diào)傳動(dòng)方式牢固可靠，但傳動(dòng)范圍及距離一般很有限，而對(duì)一些要求動(dòng)態(tài)定位對(duì)接的控制，使用機(jī)械傳動(dòng)控制難以取得較好的效果。與此相反，電方式多電機(jī)協(xié)同控制使用范圍基本上不受限制，使用方式十分靈活，該控制一般可分為非耦合控制策略和耦合控制策略。非耦合的協(xié)同控制方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，但其缺陷在于當(dāng)某一電機(jī)的負(fù)載、速度或位置等發(fā)生變化時(shí)，其他電機(jī)就不能作相應(yīng)調(diào)整，從而影響到協(xié)調(diào)性能。因此在對(duì)協(xié)同控制性能要求較高的生產(chǎn)工藝中無(wú)法應(yīng)用。針對(duì)這一現(xiàn)象，耦合控制策略應(yīng)運(yùn)而生。耦合控制常用的為三種：交叉耦合控制、相鄰耦合控制、偏差耦合控制。由于以上3種傳統(tǒng)控制策略只能實(shí)現(xiàn)多電機(jī)完全同步和比例同步運(yùn)行，根據(jù)水下輔助采油有纜遙控機(jī)器人技術(shù)要求，并且多電機(jī)比例同步運(yùn)行中各電機(jī)轉(zhuǎn)速的比例不是固定的，因此以上耦合控制結(jié)構(gòu)不能完全適合水下機(jī)器人。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明旨在提出一種多電機(jī)協(xié)同推進(jìn)的水下機(jī)器人路徑跟蹤方法，將多電機(jī)協(xié)同控制技術(shù)應(yīng)用到水下機(jī)器人的動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)中，并與水下機(jī)器人路徑跟蹤技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人精準(zhǔn)、穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)。為了提高控制系統(tǒng)的魯棒性和抗干擾能力，本發(fā)明提出基于模糊控制的路徑跟蹤控制方法，并通過(guò)細(xì)菌菌落優(yōu)化算法對(duì)模糊控制的隸屬度函數(shù)及模糊規(guī)則進(jìn)行優(yōu)化；在多電機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)方面，本發(fā)明采用一種帶轉(zhuǎn)速比例模塊的偏差耦合控制結(jié)構(gòu)和一種帶轉(zhuǎn)速比例模塊的交叉耦合控制結(jié)構(gòu)；在多電機(jī)控制算法方面，本發(fā)明提出一種快速非奇異終端滑模控制算法，以實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人在廣闊而復(fù)雜的海洋環(huán)境中安全、平穩(wěn)、準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)。

本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

一種水下機(jī)器人路徑跟蹤控制方法，包括以下步驟：