一种适用于水下机器人位置环形区域跟踪控制方法技术

本发明专利技术属于水下机器人控制技术领域，具体涉及一种适用于水下机器人位置环形区域跟踪控制方法。本发明专利技术从环形区域跟踪的任务需求出发，利用给定的环形期望区域边界和位置跟踪误差构造特殊的Lyapunov函数；再针对控制器设计过程中存在的建模误差以及辨识误差，结合水下机器人动力学近似模型及其全状态量测信息，构建状态观测器，以实现估计误差的有限时间收敛特性：最后，结合艇体速度信息以及虚拟控制律，计算环形区域跟踪控制律。本发明专利技术可实现水下机器人位置跟踪误差矢量的幅值一直维持在事先设定的环形期望区域范围内，而艏向角度误差一直维持在事先设定的圆形期望区域范围内。直维持在事先设定的圆形期望区域范围内。直维持在事先设定的圆形期望区域范围内。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于水下机器人位置环形区域跟踪控制方法


[0001]本专利技术属于水下机器人控制
，具体涉及一种适用于水下机器人位置环形区域跟踪控制方法。

技术介绍

[0002]水下机器人在执行类似于管道跟踪、水下探测等任务时，结合任务需求以及复杂海洋环境的特点，只需水下机器人跟踪误差满足用户事先设定的范围即可。因此区域跟踪控制的概念应运而生，即：将传统的期望目标点改为期望区域。
[0003]现有的区域跟踪控制方法主要从两方面进行研究。第一类是仅关注每个自由度方向上稳态跟踪误差是否维持在期望圆形区域范围内；另一类则是从全过程角度(包括暂态性能和稳态性能)研究每个自由度方向上跟踪误差的区域跟踪控制。第一类区域跟踪控制可通过基于势能函数的区域跟踪控制方法和基于分段且连续Lyapunov函数的区域跟踪控制方法来实现；而第二类区域跟踪控制主要基于预设性能控制方法及其变体来实现。然而，对某些水下任务如管道探测时，我们更应该关注位置跟踪误差矢量的幅值，即当前水下机器人的位置与期望位置点之间的距离，而方位上则需要各姿态角的跟踪误差单独满足圆形期望区域；此外，在管道跟踪任务中受传感器量量测广度的限制，往往要求水下机器人位置到期望点的距离还需大于一个基本值以维持较好的量测广度。此时需要控制系统能实现水下机器人位置跟踪误差矢量的幅值一直维持在事先设定的环形期望区域范围内，而艏向角度误差一直维持在事先设定的圆形期望区域范围内。现有的这些区域跟踪控制方法不能满足此任务需求。因此，针对此应用情况，研究位置跟踪误差矢量幅值的环形区域跟踪控制是很有意义的。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供可实现水下机器人位置跟踪误差矢量的幅值一直维持在事先设定的环形期望区域范围内，且艏向角度误差一直维持在事先设定的圆形期望区域范围内的一种适用于水下机器人位置环形区域跟踪控制方法。
[0005]本专利技术的目的通过如下技术方案来实现：包括以下步骤：
[0006]步骤1：获取水下机器人当前t时刻位置信息艏向角ξ2＝φ以及速度信息(x,y,z)为水下机器人在大地坐标系下的坐标；J1为旋转变换矩阵；u、v、w为水下机器人艇体坐标系下的纵向、横向以及垂向的线速度；r为水下机器人艇体坐标系下的艏向角速度；
[0007]步骤2：根据任务需求获取期望轨迹设定期望环形区域的上边界ε
1a
和下边界ε
1b
以及期望圆形区域的边界ε
2a
；其中，为期望路径点；ξ
d2
＝φ
d
为期望艏向角；ε
1b
设定为常数，ε
1b
＞0；ε
1a
(t)与ε
2a
(t)均设定为指数衰减函数，ε
1a
(t)＞ε
1b
，ε
2a
(t)＞0；
[0008]步骤3：计算虚拟控制量
[0009][0010][0011]其中，z
a1
＝ξ1‑
ξ
d1
，z
b1
＝ξ2‑
ξ
d2
；
[0012]步骤4：根据上一时刻的跟踪控制律u(t
‑
1)＝[F
x
(t
‑
1)F
y
(t
‑
1)F
z
(t
‑
1)M
φ
(t
‑
1)]T
，由状态观测器获取建模误差以及辨识误差的估计值
[0013][0014][0015]其中，F
x
、F
y
、F
z
分别为纵向、横向、垂向自由度上所需的力，M
φ
为转艏力矩；M(ξ)为质量矩阵；F(ξ,q)为水动力项；为水下机器人艇体坐标系下线速度及艏向角速度的估计值；k1、k2、k3、k4为设计参数，且满足k2＞0，k3＞ρ
H
，ρ
H
为的上边界，
[0016]步骤5：根据虚拟控制量和建模误差以及辨识误差的估计值计算当前时刻的跟踪控制律u(t)＝[F
x
(t)F
y
(t)F
z
(t)M
φ
(t)]T
；
[0017][0018]其中，z
a2
＝q1‑
α1，z
b2
＝q2‑
α2；β为大于1/4的参数；
[0019]步骤6：水下机器人根据跟踪控制律u(t)执行环形区域跟踪控制；
[0020]步骤7：判断是否到达终点；若未到达终点，则返回步骤1，继续执行环形区域跟踪。
[0021]本专利技术还可以包括：
[0022]所述的步骤2中其中，ρ
∞1
、ρ
∞2
、ρ
01
、ρ
02
、λ1、λ2为设计参数且均大于零。
[0023]本专利技术的有益效果在于：
[0024]现有的区域跟踪控制方法大都关注各自由度方向上跟踪误差是否维持在期望区域范围内，而本专利技术专利从实际需求出发关注三维位置跟踪误差矢量幅值是否维持在期望区域范围内，方位上则是关注各姿态角度误差是否维持在期望区域范围内。另外，在管道跟踪任务中受传感器量测距离以及量测广度的限制，往往要求水下机器人位置到期望点的距离能一直保持在一个环形期望区域范围内，现有区域跟踪控制方法不能满足此要求，与现有区域跟踪控制方法只是实现圆形区域跟踪的技术路线不同，本专利技术设计了一种位置跟踪误差矢量幅值的环形区域跟踪控制方法，实现了位置跟踪误差矢量幅值的环形期望区域跟踪、艏向角度误差的圆形期望区域跟踪。
[0025]本专利技术从环形区域跟踪的任务需求出发，利用给定的环形期望区域边界和位置跟踪误差构造特殊的Lyapunov函数；再针对控制器设计过程中存在的建模误差以及辨识误差，结合水下机器人动力学近似模型及其全状态量测信息，构建状态观测器，以实现估计误差的有限时间收敛特性：最后，结合艇体速度信息以及虚拟控制律，计算环形区域跟踪控制律。本专利技术可实现水下机器人位置跟踪误差矢量的幅值一直维持在事先设定的环形期望区域范围内，而艏向角度误差一直维持在事先设定的圆形期望区域范围内。
附图说明
[0026]图1为本专利技术中环形区域跟踪的概念图。
[0027]图2为本专利技术中各自由度跟踪误差的结果图。
[0028]图3为本专利技术中位置跟踪误差矢量幅值的环形区域跟踪效果图。
[0029]图4为本专利技术中艏向角度跟踪误差的区域跟踪效果图。
[0030]图5为本专利技术中各自由度方向上的控制量信号图。
具体实施方式
[0031]下面结合附图对本专利技术做进一步描述。
[0032]本专利技术涉及一种适用于水下机器人位置环形区域跟踪控制方法，属于水下机器人控制
本专利技术针对环本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于水下机器人位置环形区域跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：获取水下机器人当前t时刻位置信息艏向角ξ2＝φ以及速度信息(x,y,z)为水下机器人在大地坐标系下的坐标；J1为旋转变换矩阵；u、v、w为水下机器人艇体坐标系下的纵向、横向以及垂向的线速度；r为水下机器人艇体坐标系下的艏向角速度；步骤2：根据任务需求获取期望轨迹设定期望环形区域的上边界ε
1a
和下边界ε
1b
以及期望圆形区域的边界ε
2a
；其中，为期望路径点；ξ
d2
＝φ
d
为期望艏向角；ε
1b
设定为常数，ε
1b
＞0；ε
1a
(t)与ε
2a
(t)均设定为指数衰减函数，ε
1a
(t)＞ε
1b
，ε
2a
(t)＞0；步骤3：计算虚拟控制量步骤3：计算虚拟控制量步骤3：计算虚拟控制量其中，z
a1
＝ξ1‑
ξ
d1
，z
b1
＝ξ2‑
ξ
d2
；步骤4：根据上一时刻的跟踪控制律u(t
‑
1)＝[F
x
(t
‑
1)F
y
(t
‑
1)F
z
(t
‑
1)M
φ
(t
‑...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘星，于大程，张铭钧，吕图，盖宁，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：