一种水下机器人的自适应运动控制装置及其方法制造方法及图纸

技术编号:18236893 阅读:58 留言:0更新日期:2018-06-17 00:12
本发明专利技术公开了一种水下机器人自适应运动控制装置及其方法,包括内环控制模块和外环控制模块,外环控制模块对期望信号进行跟踪,内环控制模块对外环控制模块的虚拟控制律进行跟踪;所述外环控制模块中加入干扰补偿项和输入不确定性补偿项,外环控制模块基于模糊逻辑模块的模糊逻辑的和动态信号生成模块的动态信号构建非线性自适应补偿模块;其中基于非线性自适应补偿模块构建执行机构非线性模块,基于执行机构非线性模块构建水下机器人动力学模型,基于水下机器人动力学模型构建水下机器人运动学模型。能够保证机器人在水下复杂环境中实现期望的轨迹和姿态跟踪,同时很好的处理执行机构中存在的死区等非线性特性。 1

An adaptive motion control device for underwater vehicle and its method

The invention discloses an adaptive motion control device for an underwater robot and its method, including internal loop control module and outer loop control module. The outer loop control module tracks the desired signal, and the virtual control law of the outer loop control module of the inner loop control module is tracked, and the external loop control module is added to the interference compensation item. And the input uncertainty compensation item, the outer loop control module builds the nonlinear adaptive compensation module based on the fuzzy logic of fuzzy logic module and the dynamic signal of the dynamic signal generating module, and the nonlinear adaptive compensation module is built on the nonlinear module of the actuator based on the nonlinear module of the actuator. The robot dynamics model is built based on the underwater vehicle dynamics model to build the underwater vehicle kinematics model. It can ensure the desired trajectory and attitude tracking in the complex underwater environment, and deal with the nonlinear characteristics such as dead zone in the actuator. One

【技术实现步骤摘要】
一种水下机器人的自适应运动控制装置及其方法
本专利技术属于水下机器人运动控制
,涉及一种多执行机构水下机器人的自适应运动控制;具体涉及一种水下机器人自适应运动控制装置;还涉及一种水下机器人自适应运动控制方法。
技术介绍
海洋蕴含着丰富的资源,目前合理利用、开发海洋资源对于人类社会的可持续发展将起到巨大的作用。水下机器人能够广泛应用于海洋救助与打捞、海洋石油开采、水下工程施工、深海资源调查、军事和国防建设等诸多方面,是人类进行深海资源的研究与开发的强有力的工具。水下机器人常常工作于复杂的水下环境中,受到水流、电磁等外部干扰的影响,其运动控制已成为当前的技术难题和热点问题之一。此外,由于工作在水下环境中,该类机器人的推进器和控制舵也常常呈现非线性特性和耦合特征,可能会降低运动控制的控制精度,甚至会引起系统失稳。针对水下机器人的运动控制,人们已经提出了很多种控制方法。传统的PID控制方法具有结构简单、易于工程实现的优点,但是PID方法的参数难以调整,而且难以在复杂多变的环境下获得良好的控制效果。近年来,现代控制理论也在水下机器人的运动控制中取得了广泛应用。但是基于反馈线性化的控制方法算法较为复杂,会加重计算机的计算负担,难以在线实现。鲁棒控制方法虽然能够解决模型不确定性系统的控制问题,在保证系统稳定的同时能将干扰对系统性能的影响抑制在一定的水平之下。但是鲁棒方法的控制增益是根据不确定性的范数上界设计的,过于保守而且不能随着干扰变化而变化。
技术实现思路
本专利技术提供了一种水下机器人自适应运动控制装置,能够保证机器人在水下复杂环境中实现期望的轨迹和姿态跟踪,同时很好的处理执行机构中存在的死区等非线性特性。本专利技术还提供了一种水下机器人自适应运动控制方法,基于自适应思想和反步控制策略,能够对多推进水下机器人执行机构死区非线性,水下环境干扰和未建模动态进行有效抑制。本专利技术的技术方案是:一种水下机器人自适应运动控制装置,包括内环控制模块和外环控制模块,外环控制模块对期望信号进行跟踪,内环控制模块对外环控制模块的虚拟控制律进行跟踪;所述外环控制模块中加入干扰补偿项和输入不确定性补偿项,外环控制模块基于模糊逻辑模块的模糊逻辑的和动态信号生成模块的动态信号构建非线性自适应补偿模块;其中基于非线性自适应补偿模块构建执行机构非线性模块,基于执行机构非线性模块构建水下机器人动力学模型,基于水下机器人动力学模型构建水下机器人运动学模型。更进一步的,本专利技术的特点还在于:其中外环控制模型中水下环境干扰自适应补偿模块完成干扰补偿项,通过非线性反馈模块完成输入不确定性补偿项。其中水下环境干扰自适应补偿模块、非线性反馈模块、动态信号生成模块和模糊逻辑模块共同构建控制分配模块,并且基于控制分配模块构建非线性自适应补偿模块。本专利技术的另一技术方案是:一种水下机器人自适应运动控制方法,包括以下步骤:步骤1,构建水下机器人的运动学模型和动力学模型,并且构建水下机器人执行机构的非线性死区特性;步骤2,对未建模动态进行补偿,生成非线性动态补偿信号,其中未建模状态满足输入状态稳定性;步骤3,构建外环控制律和内环控制律,并且基于模糊逻辑构建外环虚拟控制律;步骤4,对水下机器人多执行机构的虚拟控制量进行控制分配。更进一步的,本专利技术的特点还在于:其中步骤1中还包括建立未建模状态下的动态方程。其中步骤3还包括根据内环跟踪误差建立内环跟踪误差的动态方程。其中步骤4还包括通过自适应补偿项克服由其自身带来的输入不确定性。与现有技术相比,本专利技术的有益效果是:本专利技术从多执行机构水下机器人的运动学动力学角度出发,在存在未建模动态以及执行机构非线性的情形下,能够实现水下机器人的运动控制;控制器结构简单,不需要水动力的精确参数,能够减轻机器人的运算负荷;同时,该运动控制方法能够克服水下环境中存在各种干扰力和力矩,具备较强的鲁棒性和自适应性。通过该控制方法,能够辅助水下机器人完成海洋救助与打捞、海洋石油开采等诸多任务。附图说明图1为本专利技术控制装置的结构示意图;图2为本专利技术控制方法执行机构死区非线性示意图。图中:1为内环控制模块;2为外环控制模块;3为执行机构非线性模型;4为水下机器人动力学模型;5为水下机器人运动学模型;6为水下环境干扰自适应补偿模块;7为非线性反馈模块;8为动态信号生成模块;9为模糊逻辑模块;10为控制分配模块;11为非线性自适应补偿模块。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术的技术方案进一步说明。本专利技术提供了一种水下机器人自适应运动控制装置,如图1所示,包括内环控制模块1和外环控制模块2;其中外环控制模块2通过动态信号生成模块8、模糊逻辑模块9、水下环境干扰自适应补偿模块6和非线性反馈模块7建立控制分配模块10;其中基于动态信号生成模块8生成的动态信号和模糊逻辑模块9的模糊逻辑设计模糊自适应补偿器,对水下机器人动态方程中未建模动态进行补偿;其中基于水下环境干扰自适应补偿模块6和非线性反馈模块7,加入干扰补偿项和输入不确定性补偿项对干扰和执行机构死区引起的输入不确定性进行处理。其中基于控制分配模块10构建非线性自适应补偿模块11,基于非线性自适应补偿模块11构建执行机构非线性模块3,基于执行机构非线性模块3构建水下机器人动力学模型4,基于水下机器人动力学模型4构建水下机器人运动学模型5。本专利技术还提供了一种水下机器人自适应运动控制方法,改方法基于自适应反步思想和非线性动态信号。其具体实施过程包括以下步骤:步骤1,构建多执行机构水下机器人的运动学模型和动力学模型,并且构建水下机器人执行机构的非线性死区特性;其中多执行机构水下机器人的运动学动力学模型可以构建为:其中M为惯性矩阵,C(v)为科氏力和向心力矩阵,D(v)为水动力矩阵,g(η)为恢复力和力矩向量,N为执行机构个数,τd为外部干扰力和力矩,J(η)为转换矩阵,η表示水下机器人的位置和姿态向量,表示水下机器人的速度向量。表示水下机器人的第j个执行机构的控制输出向量,Bj表示第j个执行机构的控制分布矩阵。τ=[τ1T,τ2T,…,τNT]T。为未建模的状态,代表由未建模动态引起的动态不确定性。未建模状态具有以下动态方程:一般而言,存在未知光滑函数和满足:考虑到水下执行机构工作时的复杂状况,将水下机器人执行机构的非线性死区特性构建如下:其中mj,i,l(t)和mj,i,r(t)分别为第j个舵的第i个分量的死区特性的左右斜率;如图2所示,δj,i,l和δj,i,r分别为死区非线性的左右折点,τj,i,0(t)为该舵系统的输入,τj,i(t)为该舵系统的输出。定义:则有:τj,i(t)=hj,i(t)τj,i,0(t)+δj,i(t)(6)定义τj,0=[τj,1,0,τj,2,0,…,τj,n,0]T,hj=[hj,1,hj,2,…,hj,n]T,δj=[δj,1,δj,2,…,δj,n]T,那么方程(1)可以写为:步骤2,未建模动态进行补偿,生成非线性动态补偿信号;其中未建模状态满足输入状态稳定性,因此存在Vω(ω)满足:α1(ω)≤Vω(ω)≤α2(ω)为了对未建模动态进行补偿,引入如下动态信号:其中,易知,该动态信号满足Vω(ω(t))≤r(t)+D(t),其中D(t)对于所有t≥T0满足D(t)本文档来自技高网...
一种水下机器人的自适应运动控制装置及其方法

【技术保护点】
1.一种水下机器人自适应运动控制装置,其特征在于,包括内环控制模块(1)和外环控

【技术特征摘要】
1.一种水下机器人自适应运动控制装置,其特征在于,包括内环控制模块(1)和外环控制模块(2),外环控制模块(2)对期望信号进行跟踪,内环控制模块(1)对外环控制模块(2)的虚拟控制律进行跟踪;所述外环控制模块(2)中加入干扰补偿项和输入不确定性补偿项,外环控制模块(2)基于模糊逻辑模块(9)的模糊逻辑的和动态信号生成模块(8)的动态信号构建非线性自适应补偿模块(11);基于非线性自适应补偿模块(11)构建执行机构非线性模块(3),基于执行机构非线性模块(3)构建水下机器人动力学模型(4),基于水下机器人动力学模型(4)构建水下机器人运动学模型(5)。2.根据权利要求1所述的水下机器人自适应运动控制装置,其特征在于,所述外环控制模型(2)中水下环境干扰自适应补偿模块(6)完成干扰补偿项,通过非线性反馈模块(7)完成输入不确定性补偿项。3.根据权利要求2所述的水下机器人自适应运动控制装置,其特征在于,所述水下环境干扰自适应补偿模块(6)、非线性反馈模块(7)、动态信号生成模块(8)和模糊逻辑模块(9)共同构建控制分配模块(10),并且基于控制分配模块(10)构建非线性自适应补偿模块(11)。4.一种水下机器人自适应运动控制方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤1,构建水下机器人的运动学模型和动力学模型,并且构建水下机器人执行机构的非线性死区特性;步骤2,对未建模动态进行补偿,生成非线性动态补偿信号,其中未建模状态满足输入状态稳定性;...

【专利技术属性】
技术研发人员:袁源王铮朱战霞孙冲陈诗瑜
申请(专利权)人:西北工业大学西北工业大学深圳研究院
类型:发明
国别省市:陕西,61

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