一种基于多电机主从轴协同算法的水下机器人控制方法技术

本发明专利技术属于水下机器人电力推进控制技术领域，具体地说，是一种基于多电机主从轴的水下机器人多电机协同算法及其控制方法，该方案利用归一化比例协同分配方法，实现从动轴多台推进电机保持比例同步关系下的差速运行。本发明专利技术针对这种多电机协同控制系统，提出采用动态面反步滑模控制器来控制从动轴推进电机的转速，这种控制方法能有效的消除水下随机非线性与持续性扰动，保证多电机的比例协调同步过程，具有较强的抗扰动能力。具有较强的抗扰动能力。具有较强的抗扰动能力。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多电机主从轴协同算法的水下机器人控制方法


[0001]本专利技术属于机器人控制
，具体地说，是一种基于多电机主从轴的水下机器人多电机协同算法及其控制方法。

技术介绍

[0002]随着有限的陆地资源与人口爆炸的矛盾日益突出，海洋勘探开发已成为世界各国研究的热点。对海洋的探索和开发离不开先进海洋科学技术的支撑，水下机器人能够胜任对海底地形地貌的勘察、海底地质勘探、海洋环境和水文参数测量、对水下生物考察等方面的工作，是执行复杂危险的海下任务时极重要的载体平台。然而，大多数水下机器人在浅水区或狭窄复杂水域作业时，会受到湍流的干扰，严重的紊流会使水下航行器产生震荡或侧翻等问题。多电机水下推进方法具有更高的效率和稳定性，对多电机协同控制进行优化是必要的。
[0003]现在多电机同步算法主要有以下方案：
[0004](1)交叉耦合同步控制系统
[0005]交叉耦合控制策略的原理是比较相邻两台电机的速度或位置，将其差值反馈同时跟踪反馈信号。当系统中的任何电机的负载产生变化，该方案都可以反映。但是其计算两个以上电机的反馈近似值非常繁琐，不适用于两个以上的电机。
[0006](2)偏差耦合同步控制系统
[0007]偏差耦合控制，将每台电机与其他电机间的同步误差加权计算之后，反馈到各台电机，实现较好的同步性能。由于每台电机的补偿值计算都需要与其余每一台电机的同步误差，因此偏差耦合计算量正比于电机数目的平方，计算量过大是该方法的一个缺点。此外，偏差耦合在启动过程中还存在控制器饱和失效等问题。
[0008](3)虚拟主轴同步控制系统
[0009]虚拟主轴同步系统的原理是设置一个虚拟电主轴，在虚拟轴部分加入力矩模块。通过计算虚拟轴与从轴电机的差值来获得虚拟力矩，并且把这个参数送到主轴中。经过控制器的运算，得到虚拟轴和从轴电机参数的反馈关系，通过虚拟力矩模拟机械主轴的功能实现同步控制。然而，虚拟主轴只适用于多台从电机转速一致的情况。
[0010]表1现在国内多电机协同控制方式的优缺点对比
[0011][0012]实际航行中，水中环境复杂、水的粘稠系数较大，周围水流会对水下机器人造成持续性干扰，严重时会造成船体持续震荡，无法实现精确的航迹跟踪，甚至于脱离期望航迹，导致跟踪控制不稳定。针对水下机器人实际运行工况：轨迹跟踪过程中转向时x，y，z轴的速
度不一致。

技术实现思路

[0013]本专利技术的目的是解决上述技术问题，本专利技术提出了主轴反步控制方法，此外，还融合主从轴控制技术与先进智能控制方法，使得采用本专利技术所述多电机主从轴控制技术的水下机器人能够在水流、波浪的随机扰动下稳定而高效得循迹运行。
[0014]本专利技术利用归一化比例同步系数分配方法，设计多电机主从轴协同算法。对于从动轴推进电机模型设计动态面反步滑模(DBSMC)控制器，与多电机协同控制系统配合完成对水下机器人动力推进部分的控制。
[0015]本专利技术采用的具体技术方案如下：
[0016]一种基于多电机主从轴协同算法的水下机器人控制方法，由多电机主从轴协同控制系统和从动轴推进电机动态面反步滑模控制器组成，所述多电机主从轴控制系统通过归一化比例同步系数分配算法进行设计，将多电机协同算法与水下机器人的推力分配相结合，改进控制系统输入端，所述从动轴推进电机动态面反步滑模控制器以反步法为基础利用动态面消除微分膨胀问题，加入滑模控制算法增强控制系统的鲁棒性。
[0017]在上述技术方案中，从动轴推进电机动态面反步滑模控制器，根据推进电机的基于同步旋转坐标系的运动方程和电压方程，以动态面反步法设计控制方案，引入连续可导的tanh()函数，设计最终实际控制信号，使得从动轴推进电机闭环系统的所有信号半全局一致最终有界，具有较好的抗干扰能力。
[0018]上述技术方案具体包括以下模块：
[0019]模块一：主轴控制模块，以反步控制法为基础设计多电机主轴控制器，并为其设计自适应律的控制方法，使其在推进电机参数变化时能实时补偿给定的转矩值，从而完成对多个从动轴的协调控制；
[0020]模块二：基于归一化的比例同步系数分配算法模块，基于归一化的比例同步系数分配算法通过分解上位机的速度指令，将参考速度归一化，以最大设定转速为基准，将所有速度以比例同步的方式设置给从动轴电机，基于多电机主从轴协同控制算法，分析其主轴工作原理，考虑其从动轴电机只能以相同的速度运行，将归一化比例同步分配方法与其结合，将其封装为输入模块，使其更适合于多自由度运动的水下机器人多电机动力推进控制；
[0021]模块三：从动轴电机控制模块，基于从动轴推进电机，根据其电压方程，考虑电磁转矩方程与动力学方程对系统的影响，以从动轴推进电机电流机械角速度为状态变量和输出，d，q轴的电压为输入，建立状态方程，从而实现系统对每台从电机的转速进行控制，维持多电机的协调推进，基于从动轴推进电机控制系统，设计其动态面反步滑模控制器，消除水下非线性环境的不确定扰动，实现多电机系统的稳定控制；
[0022]模块四：多电机协同控制模块，通过整合模块一、二、三，设计基于多电机主从轴协同算法及其控制系统，设计水下机器人动力推进控制系统结构，最终给出完整的多电机主从轴协同水下机器人控制系统。
[0023]本专利技术的有益效果：
[0024](1)与现有技术方案相比，多电机主从轴协同算法利用归一化比例协同分配方法实现从动轴多台电机以不同的速度运行，同时保持比例同步关系，满足水下机器人推进电
机转速不同时的工况；
[0025](2)动态面反步滑模控制器能有效的消除水下随机非线性与持续性扰动，保证多电机的比例协调同步过程，满足推进电机转速受到干扰时的工况；
[0026](3)多电机主从轴协同算法与动态面反步滑模控制器配合，满足多电机算法作为系统动力推进时的控制要求，有利于在水下机器人航迹跟踪时的动力推进方面的应用。
附图说明
[0027]图1为本专利技术实施例中多电机主从轴同步动态面反步滑模控制系统原理图。
[0028]图2为本专利技术实施例中多电机主从轴同步控制系统结构框图。
[0029]图3为本专利技术实施例中基于归一化的比例同步分配方法框图。
[0030]图4为本专利技术实施例中多电机主从轴协同控制系统原理框图。
[0031]图5为本专利技术实施例中动态面反步滑模矢量控制系统原理框图。
具体实施方式
[0032]为了加深对本专利技术的理解，下面将结合附图和实施例对本专利技术做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本专利技术，并不对本专利技术的保护范围构成限定。
[0033]一种基于多电机主从轴协同算法的水下机器人控制方法，由四个部分组成：主轴控制模块、基于归一化的比例同步系数分配算法模块、从动轴电机控制模块、多电机协同控制模块。其中主轴部分由自适应反步控制器与主轴电机模型组成，归一化算法将上位机的电机控制量重新分配，从动轴控制器设计为动态面反步滑模控制方法。将单推进电机控本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多电机主从轴协同算法的水下机器人控制方法，其特征在于，由多电机主从轴协同控制系统和从动轴推进电机动态面反步滑模控制器组成，所述多电机主从轴控制系统通过归一化比例同步系数分配算法进行设计。2.根据权利要求1所述的基于多电机主从轴协同算法的水下机器人控制方法，其特征在于，所述从动轴推进电机动态面反步滑模控制器，根据推进电机的基于同步旋转坐标系的运动方程和电压方程，以动态面反步法设计控制方案，引入连续可导的tanh()函数，设计最终实际控制信号，使得从动轴推进电机闭环系统的所有信号半全局一致最终有界，具有较好的抗干扰能力。3.根据权利要求2所述的基于多电机主从轴协同算法的水下机器人控制方法，其特征在于，包括以下模块：模块一：主轴控制模块，以反步控制法为基础设计多电机主轴控制器，并为其设计自适应律的控制方法，使其在推进电机参数变化时能实时补偿给定的转矩值，从而完成对多个从动轴的协调控制；模块二：基于归一化的比例同步系数分配算法模块，基于归一化的比例同步系数分配算法通过分解上位机的速度指令，将参考速度归一化，以最大设定转速为基准，将所有速度以比例同步的方式设置给从动轴电机，基于多电机主从轴协同控制算法，分析其主轴工作原理，考虑其从动轴电机只能以相同的速度运行，将归一化比例同步分配方法与其结合，将其封装为输入模块，使其更适合于多自由度运动的水下机器人多电机动力推进控制；模块三：从动轴电机控制模块，基于从动轴推进电机，根据其电压方程，考虑电磁转矩方程与动力学方程对系统的影响，以从动轴推进电机电流机械角速度为状态变量和输出，d，q轴的电压为输入，建立状态方程，从而实现系统对每台从电机的转速进行控制，维持多电机的协调推进，基于从动轴推进电机控制系统，设计其动态面反步滑模控制器，消除水下非线性环境的不确定扰动，实现多电机系统的稳定控制；模块四：多电机协同控制模块，通过整合模块一、二、三，设计基于多电机主从轴协同算法及其控制系统，设计水下机器人动力推进控制系统结构，最终给出完整的多电机主从轴协同水下机器人控制系统。4.根据权利要求3所述的所述的基于多电机主从轴协同算法的水下机器人控制方法，其特征在于，在主轴控制模块中，从动轴反馈至主轴的力矩，采用直接补偿给定转矩值，加入一个变量，设计自适应律的控制方法，使其在电机参数变化时能实时补偿给定的转矩值，主轴的动力学公式如下若考虑主轴衰减系数b，则主轴驱动力矩公式为：T
ref
＝b(ω
*
‑
ω)+K
m
∫(ω
*
‑
ω)dt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)式中，T
ref
为主轴驱动力矩，b为阻尼增益，K
m
为积分刚度增益，ω为主轴实际角速度，ω
*
为主轴参考角速度，T
refi
为各从动轴反馈力矩，ω为主轴角速度，J为主轴转动量，θ为实际转动角位移，根据主轴的运动学公式(2)可以得到系统的误差变量定义为
e1＝ω
*
‑
ω
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)选择Lyapunov函数：有令T
ref
＝Jk1e1+∑T
ref
+η，将控制率代入(5)显然，所以系统是全局渐近稳定的，T
ref
和η的反步自适应控制律可以使主轴控制系统逐渐稳定，主轴的参数设置与实际机械轴相同，通过自适应反步控制器进行转速调节和分配，从而控制从动轴多台电机推进系统协同工作。5.根据权利要求4所述的所述的基于多电机主从轴协同算法的水下机器人控制方法，其特征在于，在基于归一化的比例同步系数分配算法模块中，水下机器人六自由度空间运动方程的运动速度U指在运动坐标系下的投影量：U＝(u v w)
T
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)其中u为纵向速度，v为横向速度，w为垂直于航行器方向的速度；将推进电机按照提供纵向速度u、横向速度v与垂直于航行器方向的速度w的推力分为x、y、z三个方向，推进器对水下机器人产生的合推力矢量可用下式表示：τ＝B(β)u
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)式中：τ＝[X
T Y
T Z
r K
T M
T N
T
]为作用在水下机器人的六自由度推力矢量，X
T
等是由推进器合成的纵向推力，u＝[T
1 T
2 T3…
T
n
‑
1 T
n
]是推进器输出的推力矢量，B(β)是推进器的矢量布置矩阵，由水下机器人具体电机布置方式有关，不局限于电机数量；当水下机器人分别单独输出纵向、横向、垂向、横倾、纵倾和偏航力矩时，可得到各自方向最大推力或推力矩，按此方法能够得到六个自由度期望推力归一化及放大后的表达式τ
d
＝Λδ
d
ω
d
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)式中：τ
d
为六自由度的期望分配推力，Λ是放大与权重对角阵，Λ＝diag{k1l
1 k2l
2 k3l
3 k4l
4 k5l
5 k6l6}其中k
j
是各方向的放大倍数，根据水下机器人直行，转向，俯仰的状态实时改变，Ii是各方向的权重系数；δ
d
ω
d
是归一化的期望转速控制向量；以x、y、z轴转速整合多电机主轴输入端算法，有ω
d
＝(ω
x
，ω
y
，ω
z
)，推力分配问题最终形成的是一个优化问题，推力分配的最终目的是将运动控制器输出的力和力矩合理地分配到执行器输入端，从而驱动控制对象沿着期望轨迹运动推力μ要满足所有元素平方和最小，仅考虑x、y、z轴推力整合，即满足能量优化原则，并考虑到螺旋桨的推力必须满足弹道和姿态的控...

【专利技术属性】
技术研发人员：王伟然，杨冠军，智鹏飞，朱志宇，戴晓强，杜昭平，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：