水下机器人深度控制方法技术

水下机器人深度控制方法。第一步，建立水下机器人模型，选择水下机器人运动建模参考系，定义运动名称和运动参数并推导出坐标系之间线速度和角速度的转换，建立运动学模型和动力学模型，推导出做定深运动的深度控制模型并得到简化后的水下机器人深度控制传递函数；第二步，设计水下机器人控制器，将容错的模糊逻辑思想加入传统PID控制中，提出一种模糊PID控制器；第三步，进行水下机器人深度控制仿真及性能检验，利用MATLAB Simulink建立水下机器人深度控制模型，从暂态性能和稳态性能对两种控制器分析比较，并通过改变延迟时间验证模糊PID控制器的鲁棒性，通过添加阶跃干扰信号验证模糊PID控制器的抗干扰性。本发明专利技术用于水下机器人。机器人。机器人。

【技术实现步骤摘要】
水下机器人深度控制方法
[0001]
：本专利技术涉及一种水下机器人深度控制方法。
[0002]
技术介绍
：海洋占地球表面积的71%，占世界水资源的97%，海洋孕育生命、联通世界，对人类生存和社会发展举足轻重，对促进高质量发展具有战略重要性。海洋储藏有富饶的生物和矿产资源，其中大部分仍未被开发。海洋可能会为当今人类面临的许多问题提供解决方案，例如能源、食品以及应对气候变化等。
[0003][0004]目前对水下机器人需求大致包括以下三种：（1）深海开发需求，（2）军事需求，（3）科学研究需求。
[0005]随着处理能力的先进和大功率电源的发展，水下机器人现在被用于越来越多的水下任务，在深海资源的勘探和开发中起着至关重要的作用。水下机器人还应用于水下危险作业，如海洋观测、水深测量、海底分析和军事应用等。
[0006]
技术实现思路
：本专利技术的目的是提供一种通过添加阶跃干扰信号验证模糊PID控制器的抗干扰性的水下机器人深度控制方法。
[0007]上述的目的通过以下的技术方案实现：一种水下机器人深度控制方法，所述控制方法包括以下步骤：第一步，建立水下机器人模型，所述水下机器人模型包括运动学模型和动力学模型；选择水下机器人运动建模参考系，定义运动名称和运动参数并推导出坐标系之间线速度和角速度的转换，建立运动学模型和动力学模型，推导出做定深运动的深度控制模型并得到简化后的水下机器人深度控制传递函数；第二步，基于第一步得模型，根据改进得模糊PID控制器设计水下机器人控制器；第三步，进行水下机器人深度控制仿真及性能检验，利用MATLAB Simulink建立水下机器人深度控制模型，用传统PID控制器和模糊PID控制器对不同定深的深度控制进行仿真，从暂态性能和稳态性能对两种控制器分析比较，并通过改变延迟时间验证模糊PID控制器的鲁棒性，通过添加阶跃干扰信号验证模糊PID控制器的抗干扰性。
[0008]所述的水下机器人深度控制方法，所述的第一步是水下机器人运动方程和建模，首先是运动方程，所述的运动方程航行器在水下会受到这些力的作用，由静流体力，动流体力，推进器产生的力，静流体力：由航行器所受的重力和浮力组成；动流体力：由附加质量的存在所产生的力和舵和翼产生的控制力组成；静流体力
运动方程为：把没有微分项的式子放到右边与这些力和力矩进行合并得到：把没有微分项的式子放到右边与这些力和力矩进行合并得到：把没有微分项的式子放到右边与这些力和力矩进行合并得到：
体坐标系和地球坐标系的位置，角度向量转换矩阵：其次，matlab仿真与建模，将推力和控制力进行合并作为一个模块也就是控制力，阻尼力与方程中放到右边的部分合并作为一个模块也就是动流体力，静流体力单独作为一个模块也就是静流体力。
[0009]所述的水下机器人深度控制方法，所述的第二步是水下机器人模糊PID控制系统设计，PID控制器通过调整比例增益Kp、积分增益Ki和微分增益Kd达到较优控制性能；首先PID控制系统由PID控制器和被控对象组成；其次PID控制器的局限性是通过自适应修改基于性能的PID参数和级联更多的PID控制器的方法改进，是利用系统知识来控制前馈，且运动系统是时变和强耦合的非线性系统，单用PID控制器对水下机器人进行运动控制，并引入模糊控制；然后是水下机器人模糊控制，模糊控制由模糊控制器、输入输出端口、执行机构、被控对象和测量装置组成，首先将精确输入量模糊化，即转换为模糊隶属度函数，然后基于所开发的规则库由推理系统将这些输入量和输出隶属度函数关联起来，对模糊输出进行反模糊化以产生精确输出；再然后是开发一组“If
‑
Then”规则，将输入与输出联系起来的规则库，一旦创建了一组规则，根据给定的明确输入对其进行评估，如果精确输入值落在隶属度函数的域内，则激发涉及这些隶属度函数的规则并进行求值，对评估规则的所有输出进行合计和反模糊化；之后是模糊逻辑控制器结构，模糊逻辑控制器通常是由输入输出变量、模糊化、模糊推理系统、规则库和数据库以及反模糊化组成；定义模糊逻辑控制器的输入之后，通过模糊化阶段来确定隶属度函数和与每个隶属度函数相对应的范围，确定这些隶属度函数的数量以及每个隶属度函数代表的内容；所述的水下机器人深度控制方法，所述的第三步，水下机器人运动控制仿真与验证，水下机器人模糊PID控制器设计是水下机器人要理解的输入转换是模糊化的过程。在水下机器人控制系统中建立e和ec的隶属度函数，通过e和ec的隶属度函数将e和ec的准确输入值转换为模糊语言值，即使用e和ec相应的隶属度函数来确定输入值e和ec属于每个输入模糊集合的程度；根据则库提供的逻辑语言规则和数据库提供的相关数据，以语言形式进行决策；设置模糊推理系统，采用Mamdani推理法，首先在误差E的语言变量域上定义了e，在误差变化E的语言变量域上定义了ec，设e的基本域{el,eh}=[
‑
3,3]和差变化ec基本域{ecl,ech}=[
‑
3,3]，
∆
Kp的基本域为[
‑
0.3,0.3]，
∆
Ki的基本域为[
‑
0.03,0.03]，
∆
Kd的基本域为[
‑
3,3]；控制器的设计及调节，控制器及仿真是对控制对象纵倾角Θ，深度Ye及偏航角Ψ分别进行PID控制器的设计，系统一般采用串联校正，其中深度控制器加入了并联校正。
[0010]有益效果：1.本专利技术的深度调节阶段模糊PID控制过渡时间短，在稳态性能方面具有较小的过冲量，波动小且更加平稳；模糊PID控制响应曲线更加平稳且波动程度较小，响应效果较为平滑。
[0011]附图说明：附图1是本专利技术的航行器的坐标参考图。附图2是本专利技术的PID控制系统图。
[0012]附图3是本专利技术的模糊控制系统框图。附图4是本专利技术的模糊逻辑控制器结构图。
[0013]附图5是本专利技术的模糊逻辑系统框图。附图6是本专利技术的动流体力图。
[0014]附图7是本专利技术的静流体力图。附图8是本专利技术的控制力图。
[0015]附图9是本专利技术的闭环控制系统方框图。附图10是本专利技术的模型总体图。
[0016]附图11是本专利技术的PID控制器图。附图12是本专利技术的仿真结果图。
[0017]附图13是本专利技术的深度控制系统方框图。
[0018]附图14是本专利技术的深度控制系统中Subsystem图。
[0019]附图15是本专利技术的深度控制系统中Subsystem1图。
[0020]附图16是本专利技术的单位阶跃输入的深度响应曲线图。
[0021]附图17是本专利技术的偏航角的闭环控制系统图。
[0022]附图18是本专利技术的隶属度函数图。
[0023]附图19是本专利技术的偏航角闭环控制系统中Subsystem图。
[0024]附图20是本专利技术的单位阶跃输入偏航角响应曲线图。
[0025]附图21是本专利技术的模糊控制器属性设置图。
[0026]附图22是本专利技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水下机器人深度控制方法，其特征是：所述控制方法包括以下步骤：第一步，建立水下机器人模型，所述水下机器人模型包括运动学模型和动力学模型；选择水下机器人运动建模参考系，定义运动名称和运动参数并推导出坐标系之间线速度和角速度的转换，建立运动学模型和动力学模型，推导出做定深运动的深度控制模型并得到简化后的水下机器人深度控制传递函数；第二步，基于第一步得模型，根据改进得模糊PID控制器设计水下机器人控制器；第三步，进行水下机器人深度控制仿真及性能检验，利用MATLAB Simulink建立水下机器人深度控制模型，用传统PID控制器和模糊PID控制器对不同定深的深度控制进行仿真，从暂态性能和稳态性能对两种控制器分析比较，并通过改变延迟时间验证模糊PID控制器的鲁棒性，通过添加阶跃干扰信号验证模糊PID控制器的抗干扰性。2.根据权利要求1所述的水下机器人深度控制方法，其特征是: 所述的第一步是水下机器人运动方程和建模，首先是运动方程，所述的运动方程航行器在水下会受到这些力的作用，由静流体力，动流体力，推进器产生的力，静流体力：由航行器所受的重力和浮力组成；动流体力：由附加质量的存在所产生的力和舵和翼产生的控制力组成；静流体力运动方程为：把没有微分项的式子放到右边和这些力和力矩进行合并得到：
体坐标系和地球坐标系的位置，角度向量转换矩阵：其次，matlab仿真与建模，将推力和控制力进行合并作为一个模块也就是控制力，阻尼力与方程中放到右边的部分合并作为一个模块也就是动流体力，静流体力单独作为一个模块也就是静流体力。3.根据权利要求1所述的水下机器人深度控制方法，其特征是: 所述的第二步是水下机器人模糊PID控制系统设计，PID控制器通过调整比例增益Kp、积分增益Ki和微分增益Kd
达到较优控制性能；首先PID控制系统由PID控制器和被控对象组成；其次PID控制器的局限性是通过自适应修改基于性能的PID参数和级联更多的PID控制器的方法改进，是利用系统知识来控制前馈，且运动系统是时变和强耦合的非线性系统，单用PID控制器对水下机器人进行运动控制，并引入模糊控制；然后是水下机器人模糊控制，模糊控制由模糊控制器、输入输出端口、执...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾鸿莉，周卫东，刘强，杜峰，
申请(专利权)人：贾鸿莉，
类型：发明
国别省市：