一种水下机器人姿态控制方法技术

本发明专利技术涉及一种水下机器人姿态控制方法，从控板一将电源的电压电流、电源温度、电子舱内温湿度以及电子舱是否发生漏水的信息采集，经过各模块数据处理，通过RS232通信模块传递到主控板；从控板二将接收到的深度计以及电子罗盘的数据进行数据处理与解析后，将处理结果通过RS232通信模块传递到主控板，主控板接收导航和深度信息后，根据控制台的姿态控制指令调用新型快速非奇异终端滑模控制方法，计算出各个推进器的转速大小，经过DA转换模块后传递到各个推进器，从而实现机器人的姿态控制。本发明专利技术的优点在于：本发明专利技术能够有效解决传统非奇异终端滑模控制方法局部收敛慢、易波动问题。

【技术实现步骤摘要】
一种水下机器人姿态控制方法
本专利技术属于水下机器人控制技术，特别涉及一种水下机器人姿态控制方法，可用于水下机器人航行过程中的姿态及深度调节。
技术介绍
近年来，无论是海洋资源开发，还是陆地水资源的利用，水下机器人的研究逐渐成为机器人研究应用中的热点问题。水下机器人在水下搜救打捞、考古科研、海洋生物观测、调查取证、海洋油气管道调查、能源勘探等方面发挥着重要的作用，因此，水下机器人的研究和广泛应用对于充分利用自然资源，发展国民经济具有十分重要的现实意义。灵活、稳定、可靠的水下机器人姿态控制方法是水下机器人进行多种水下作业的重要保证。目前，水下机器人的姿态控制多采用PID控制方法，PID控制器简单易操作，鲁棒性强，对非线性系统有良好的控制效果，但水下机器人属于MIMO二阶非线性不确定系统，传统方法无法取得良好的控制效果。中国专利（申请号为201410422945.2）公开了一种水下机器人位姿控制方法，通过PID算法对误差进行调节，对电机进行控制，使姿态保持平衡，该方法采用传统PID算法，未进行任何改进，对于非线性、多耦合的水下机器人运动系统，无法取得理想姿态控制效果。中国专利（申请号为201610249564.8）公开了一种ROV水下机器人悬浮姿态稳定控制方法，采用对水下机器人模型的机体姿态与机体深度及机体平面移动与机体姿态进行分离控制的方法，该方法依旧采用PID算法进行姿态控制，虽然进行了优化处理，采用双闭环PID算法，但依旧无法适用于水下机器人非线性系统，且控制模型参考四旋翼飞行器而建立，二者不具备通用性，无法取得理想控制效果。中国专利（申请号为20150750233.8）公开了一种可旋转舵推进器的水下机器人控制方法，实现对AUV的五自由度运动控制，该方法虽然采用了弱机动控制和强机动控制来分别控制姿态调节速度，但采用的是传统滑模控制方法，在误差到达滑模面时，容易产生震荡，收敛速度慢，且未给出具体推导运算过程，不利于工程应用。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种能够有效解决传统非奇异终端滑模控制方法局部收敛慢、易波动问题的水下机器人姿态控制方法。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案为：一种水下机器人姿态控制方法，其创新点在于：采用主从控制架构，包括控制台、主控板、从孔板一和从孔板二，从控板一将电源的电压电流、电源温度、电子舱内温湿度以及电子舱是否发生漏水的信息采集过来后，经过各模块数据处理之后，通过RS232通信模块传递到主控板；从控板二将接收到的深度计以及电子罗盘的数据进行数据处理与解析后，将处理后得到的深度以及导航数据通过RS232通信模块传递到主控板，主控板接收导航和深度信息后，根据控制台的姿态控制指令调用新型快速非奇异终端滑模控制方法，计算出各个推进器的转速大小，经过DA转换模块后传递到各个推进器，从而实现机器人的姿态控制；主控板将深度、航向、电源电压电流的信息通过指令解析与数据汇总模块及以太网数据收发模块实时传递到控制台。进一步地，所述新型快速非奇异终端滑模控制方法包括如下步骤：(1)建立水下机器人的运动模型，在静水中，水下机器人动力学方程为：式中：v＝[uvwpqr]；为坐标转换矩阵；M为水下机器人惯性矩阵，M∈R6×6；C(v)为水下机器人科氏及向心力矩阵，C(v)∈R6×6；D(v)是水下机器人流体阻力矩阵，D(v)∈R6×6；g(η)是由重力和浮力组成的回复力矩阵，g(η)∈R6×1；τ是水下机器人推进器提供的推力，τ∈R6×1；附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。图1为本专利技术水下机器人姿态控制方法中的数据流向图。图2为图1中新型非奇异终端滑模控制算法的流程图。图3为无干扰工况下两种算法坐标对比图。图4为无干扰工况下两种算法姿态角对比图。图5为有干扰工况下两种算法坐标对比图。图6为有干扰工况下两种算法姿态角对比图。具体实施方式下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本专利技术，但并不因此将本专利技术限制在所述的实施例范围之中。实施例本实施例水下机器人姿态控制方法，采用主从控制架构，包括控制台1、主控板2、从孔板一3和从孔板二4，从控板一3将电源的电压电流、电源温度、电子舱内温湿度以及电子舱是否发生漏水的信息采集过来后，经过各模块数据处理31之后，通过RS232通信模块32传递到主控板2；从控板二4将接收到的深度计以及电子罗盘的数据进行数据处理与解析41后，将处理后得到的深度以及导航数据通过RS232通信模块42传递到主控板2，主控板2接收导航和深度信息后，根据控制台1的姿态控制指令调用新型快速非奇异终端滑模控制方法(FNTSMC)23，计算出各个推进器的转速大小，经过DA转换模块26后传递到各个推进器，从而实现机器人的姿态控制；主控板2将深度、航向、电源电压电流的信息通过指令解析与数据汇总模块22及以太网数据收发模块21实时传递到控制台1。上述新型快速非奇异终端滑模控制方法(FNTSMC)，如图2所示，具体步骤如下：步骤一：建立水下机器人的运动模型，在静水中，水下机器人动力学方程为：式中：v＝[uvwpqr]；为坐标转换矩阵；M为水下机器人惯性矩阵，M∈R6×6；C(v)为水下机器人科氏及向心力矩阵，C(v)∈R6×6；D(v)是水下机器人流体阻力矩阵，D(v)∈R6×6；g(η)是由重力和浮力组成的回复力矩阵，g(η)∈R6×1；τ是水下机器人推进器提供的推力，τ∈R6×1。在实际运行时，需要考虑参数不确定项和未知干扰项对机器人运动的影响，假设ξ是环境干扰力，如水流、波浪等，ξ∈R6×1，vd表示伴随干扰力产生的速度，则实际动力学模型应为其中，C(v)＝CRB+CAs，vξ＝v-vd，这里假定vd是慢时变的，则有ROV重心为xG＝yG＝zG＝0，惯性矩阵M为C(v)由科氏向心力矩阵和附加质量矩阵组成，表示为式中阻尼力D(v)主要由阻力一次项和二次项组成，即D＝-diag{Xu+Xu|u||u|,Yv+Yv|v||v|,Zw+Zw|w||w|,Kp+Kp|p||p|,Mq+Mq|q||q|,Nr+Nr|r||r}回复力矩阵g(η)为重力和浮力向量：其中，W和B分别为重力和浮力，xB、yB和zB为ROV浮心。为方便控制方程的推导，对水下机器人模型进行简化。水下机器人模型转化成如下2阶非线性被控对象，即其中，x＝[x1,x2]T∈Rn是系统的状态变量；f(x)和b(x)是x的非线性函数；d(t)是外界干扰和系统不确定因素，并||d(t)||≤D,D＞0；u是系统的控制输入。步骤二：建立新型非奇异终端滑模面。首先定义运算：提出的新型非奇异终端滑模面如下式所示其中，分段函数δ(ei)定义为：其中，0＜εi≤0.5。对所提滑模面的连续性进行验证，当系统误差处于ei＝0时，滑模面偏导数如下式所示可得，系统在ei＝0处是连续的。同理可得，系统在|ei|＝εi处也是连续的。所以，本专利技术提出的新型滑模面在各个区间上均是连续可导的。步骤三：建立水下机器人姿态控制方程。滑模趋近律方程选取为：其中，k1＝diag(k11,…,k16)，k2＝diag(k21,…,k26)，k1i，k2i为常数，ρi＞0，i＝1,2,…,6。则，水下机器人姿态控制方程如下式所示：对所提本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水下机器人姿态控制方法，其特征在于：采用主从控制架构，包括控制台、主控板、从孔板一和从孔板二，从控板一将电源的电压电流、电源温度、电子舱内温湿度以及电子舱是否发生漏水的信息采集过来后，经过各模块数据处理之后，通过RS232通信模块传递到主控板；从控板二将接收到的深度计以及电子罗盘的数据进行数据处理与解析后，将处理后得到的深度以及导航数据通过RS232通信模块传递到主控板，主控板接收导航和深度信息后，根据控制台的姿态控制指令调用新型快速非奇异终端滑模控制方法，计算出各个推进器的转速大小，经过DA转换模块后传递到各个推进器，从而实现机器人的姿态控制；主控板将深度、航向、电源电压电流的信息通过指令解析与数据汇总模块及以太网数据收发模块实时传递到控制台。

【技术特征摘要】
1.一种水下机器人姿态控制方法，其特征在于：采用主从控制架构，包括控制台、主控板、从孔板一和从孔板二，从控板一将电源的电压电流、电源温度、电子舱内温湿度以及电子舱是否发生漏水的信息采集过来后，经过各模块数据处理之后，通过RS232通信模块传递到主控板；从控板二将接收到的深度计以及电子罗盘的数据进行数据处理与解析后，将处理后得到的深度以及导航数据通过RS232通信模块传递到主控板，主控板接收导航和深度信息后，根据控制台的姿态控制指令调用新型快速非奇异终端滑模控制方法，计算出各个推进器的转速大小，经过DA转换模块后传递到各个推进器，从而实现机器人的姿态控制；主控板将深度、航向、电源电压电流的信息通过指令解析与数据汇总模块及以太网数据收发模块实时传递到控制台。2.根据权利要求1所述的水下机器人姿态控制方法，其特征在于：所述新型快速非奇异终端滑模控制方法包括如下步骤：（1）建立水下机器人的运动模...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴晓强，邹博，曾庆军，张光义，姚震球，凌宏杰，
申请(专利权)人：江苏科技大学，江苏科技大学海洋装备研究院，
类型：发明
国别省市：江苏,32