一种考虑水动力学影响的电动机械臂自适应鲁棒控制方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑水动力学影响的电动机械臂自适应鲁棒控制方法。方法包括：建立非线性动力学和水动力学模型；使用自适应鲁棒控制法建立自适应鲁棒控制器；将水下电动机械臂的各个关节的角度跟踪误差输入自适应鲁棒控制器中，采用梯度下降法进行参数估计矩阵的在线自适应迭代更新，更新完成后输出自适应鲁棒控制律作为水下电动机械臂的各个关节的力矩，最终实现对水下电动机械臂的各个关节的角度的精准控制。本发明专利技术方法充分考虑克服水下电动机械臂在水下作业时受到的水动力学因素、模型不确定性及水下外干扰的影响，在保证闭环稳定性的同时，降低了机械臂跟踪误差，提升了控制精度从而提升水下电动机械臂水下作业性能。制精度从而提升水下电动机械臂水下作业性能。制精度从而提升水下电动机械臂水下作业性能。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑水动力学影响的电动机械臂自适应鲁棒控制方法


[0001]本专利技术涉及了一种自适应鲁棒控制方法，具体涉及一种考虑水动力学影响的电动机械臂自适应鲁棒控制方法。

技术介绍

[0002]海洋蕴含丰富的自然资源，但是相较于陆地而言，海洋环境更加复杂多变。随着对海洋开发力度的不断加大，水下作业环境越来越恶劣，人类无法长期适应这种环境完成作业任务，所以需要借助水下机器人和水下机械臂代替人工完成执行作业任务。目前已有海上运维巡检，海底勘探，水下采样打捞等多方面的应用。然而，水下电动机械臂的研制主要集中在控制功能实现，控制方法也大多采用PID控制，未对机械臂的准确位移控制进行深入研究。此外，电动机械臂在水下作业过程中会受到水阻力和附加质量力等水阻力以及洋流等外干扰的影响，目前常用的PID控制方法难以适应这种复杂的作业环境，这就使得水下机械臂轨迹跟踪精度低，水下作业性能无法得到保障。

技术实现思路

[0003]为了解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术所提供一种考虑水动力学影响的水下电动机械臂自适应鲁棒控制方法。方法在考虑水动力学影响下保证整体闭环系统收敛性的同时采用参数在线自适应降低模型不确定性、水阻力和附加质量力以及水下外干扰因素的影响，在保证系统闭环系统稳定的同时，减小机械臂末端跟踪控制误差。
[0004]本专利技术采用的技术方案是：
[0005]本专利技术电动机械臂自适应鲁棒控制方法包括如下步骤：
[0006]步骤一：在考虑水动力学因素与模型不确定项和水下外干扰的情况下，建立水下电动机械臂的非线性动力学和水动力学模型；基于水下电动机械臂的非线性动力学和水动力学模型，使用自适应鲁棒控制法建立水下电动机械臂的自适应鲁棒控制器。
[0007]步骤二：将水下电动机械臂的各个关节的角度跟踪误差输入自适应鲁棒控制器中，采用梯度下降法进行自适应鲁棒控制器的参数估计矩阵的在线自适应迭代更新，更新完成后自适应鲁棒控制器输出自适应鲁棒控制律作为水下电动机械臂的各个关节的力矩，最终实现对水下电动机械臂的各个关节的角度的精准控制。
[0008]所述的步骤一中，水下电动机械臂具体为水下多自由度电动机械臂连杆机构，水下电动机械臂上共有n个自由度关节；建立的水下电动机械臂的非线性动力学和水动力学模型具体如下：
[0009][0010]其中，q、和分别为水下电动机械臂的各个自由度关节的角位移、角速度和角加速度，q＝[q
1 q2ꢀ…ꢀ
q
n
]，q
1 q2ꢀ…ꢀ
q
n
分别为水下电动机械臂的第1、2、
…
、n个自由度关节的角位移，分别为水下电动机
械臂的第1、2、
…
、n个自由度关节的角速度，分别为水下电动机械臂的第1、2、
…
、n个自由度关节的角加速度；M'()为水下电动机械臂的加速度矩阵；C'()为水下电动机械臂的速度矩阵；D
w
()为水阻力矩阵；G为水下电动机械臂的重力矩阵；τ为水下电动机械臂的各个自由度关节的力矩；d为非线性动力学和水动力学模型的模型不确定项与水下外干扰，||d||≤d
max
，d
max
为非线性动力学和水动力学模型的模型不确定项与水下外干扰的最大值；模型不确定项具体为建模误差和模型参数不确定等；水下外干扰具体为水下环境，如洋流等的干扰；模型主要采用采用欧拉
‑
拉格朗日法和Morison公式进行建立。
[0011]所述的考虑的水动力学因素，即水下电动机械臂的水阻力和附加质量力矩阵
T
具体如下：
[0012]T＝T
m
+T
w
[0013]其中，T
m
为水下电动机械臂的附加质量力矩阵，T
w
为水下电动机械臂的水阻力矩阵，水阻力具体由水下电动机械臂在运动时的速度产生；主要考虑水阻力和附加质量力的影响采用Morison公式对电动机械臂进行水动力学建模。
[0014]所述的水下电动机械臂的加速度矩阵M'()具体如下：
[0015]M
’
(q)＝M(q)+H
m
(q)
[0016]其中，M()为水下电动机械臂的惯性矩阵，H
m
()为水下电动机械臂的附加质量的加速度矩阵，附加质量具体由水下电动机械臂在运动时的加速度产生。
[0017]所述的水下电动机械臂的速度矩阵C'()具体如下：
[0018][0019]其中，C()为科里奥利力和向心力矩阵，D
m
()为水下电动机械臂的附加质量的速度矩阵。
[0020]所述的水下电动机械臂的附加质量力矩阵T
m
具体如下：
[0021][0022]所述的水下电动机械臂的水阻力矩阵T
w
具体如下：
[0023][0024]所述的水下电动机械臂的附加质量力矩阵T
m
具体如下：
[0025][0026]所述的水下电动机械臂的水阻力矩阵T
d
具体如下：
[0027][0028]所述的步骤一中，建立的水下电动机械臂的自适应鲁棒控制器具体如下：
[0029]τ＝τ
a
+τ
s
[0030][0031]τ
s
＝τ
s1
+τ
s2
[0032][0033]τ
s1
＝
‑
k1s
[0034][0035]其中，τ为自适应鲁棒控制律，即水下电动机械臂的各个自由度关节的控制力/力矩，τ
a
为自适应模型补偿项，τ
s
为鲁棒反馈项；为自适应模型补偿项中的参数估计矩阵，为参数估计矩阵的系数回归矩阵；τ
s1
为鲁棒反馈项τ
s
的线性鲁棒反馈项，τ
s2
为鲁棒反馈项τ
s
的非线性鲁棒反馈项；s为滑膜面；e为水下电动机械臂的各个自由度关节的关节角度跟踪误差，为水下电动机械臂的各个自由度关节的关节角度跟踪误差的一阶导；k1和k2分别为滑模面s和水下电动机械臂的各个自由度关节的关节角度跟踪误差e的增益矩阵；为自适应模型补偿项τ
a
中的参数误差矩阵，θ为自适应模型补偿项τ
a
中的参数矩阵；d为非线性动力学和水动力学模型的模型不确定项与水下外干扰；ε为自适应鲁棒控制器的补偿参数。
[0036]水下电动机械臂的各个自由度关节上均安装有编码器，编码器将各个自由度关节的实时角度传送给自适应鲁棒控制律。
[0037]所述的自适应模型补偿项τ
a
中的参数矩阵θ具体如下：
[0038][0039]自适应模型补偿项的参数估计矩阵为参数矩阵θ的估计矩阵。
[0040]所述的水下电动机械臂的各个自由度关节本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑水动力学影响的电动机械臂自适应鲁棒控制方法，其特征在于：方法包括如下步骤：步骤一：在考虑水动力学因素与模型不确定项和水下外干扰的情况下，建立水下电动机械臂的非线性动力学和水动力学模型；基于水下电动机械臂的非线性动力学和水动力学模型，使用自适应鲁棒控制法建立水下电动机械臂的自适应鲁棒控制器；步骤二：将水下电动机械臂的各个关节的角度跟踪误差输入自适应鲁棒控制器中，采用梯度下降法进行自适应鲁棒控制器的参数估计矩阵的在线自适应迭代更新，更新完成后自适应鲁棒控制器输出自适应鲁棒控制律作为水下电动机械臂的各个关节的力矩，最终实现对水下电动机械臂的各个关节的角度的精准控制。2.根据权利要求1所述的一种考虑水动力学影响的电动机械臂自适应鲁棒控制方法，其特征在于：所述的步骤一中，水下电动机械臂具体为水下多自由度电动机械臂连杆机构，水下电动机械臂上共有n个自由度关节；建立的水下电动机械臂的非线性动力学和水动力学模型具体如下：其中，q、和分别为水下电动机械臂的各个自由度关节的角位移、角速度和角加速度，q＝[q
1 q2…
q
n
]，q
1 q2…
q
n
分别为水下电动机械臂的第1、2、
…
、n个自由度关节的角位移，分别为水下电动机械臂的第1、2、
…
、n个自由度关节的角速度，分别为水下电动机械臂的第1、2、
…
、n个自由度关节的角加速度；M'()为水下电动机械臂的加速度矩阵；C'()为水下电动机械臂的速度矩阵；D
w
()为水阻力矩阵；G为水下电动机械臂的重力矩阵；τ为水下电动机械臂的各个自由度关节的力矩；d为非线性动力学和水动力学模型的模型不确定项与水下外干扰，||d||≤d
max
，d
max
为非线性动力学和水动力学模型的模型不确定项与水下外干扰的最大值；所述的考虑的水动力学因素，即水下电动机械臂的水阻力和附加质量力矩阵T具体如下：T＝T
m
+T
w
其中，T
m
为水下电动机械臂的附加质量力矩阵，T
w
为水下电动机械臂的水阻力矩阵。3.根据权利要求2所述的一种考虑水动力学影响的电动机械臂自适应鲁棒控制方法，其特征在于：所述的水下电动机械臂的加速度矩阵M'()具体如下：M'(q)＝M(q)+H
m
(q)其中，M()为水下电动机械臂的惯性矩阵，H
m
()为水下电动机械臂的附加质量的加速度矩阵；所述的水下电动机械臂的速度矩阵C'()具体如下：其中，C()为科里奥利力和向心力矩阵，D
m
()为水下电动机械臂的附加质量的速度矩阵。4.根据权利要求3所述的一种考虑水动力学影响的电动机械臂自适应鲁棒控制方法，其特征在于：所述的水下电动机械臂的附加质量力矩阵T
m
具体如下：
所述的水下电动机械臂的水阻力矩阵T
w
具体如下：5.根据权利要求2所述的一种考虑水动力学影响的电动机械臂自适应鲁棒控制方法，其特征在于：所述的水下电动机械臂的附加质量力矩阵T
m
具体如下：所述的水下电动机械臂的水阻...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈正，庞丰叶，沈翀，王奕辰，黄方昊，陈家旺，梅德庆，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：