一种新型水下机器人非奇异快速终端滑模控制方法及系统技术方案

本发明专利技术针对水下机器人系统由于强非线性、高耦合性和内部参数不确定等特性造成位姿控制精度低的问题，提出了一种新型的有限时间收敛的非奇异快速终端滑模控制。首先，给出已有的水下机器人的动力学方程,并将其变换为轨迹跟踪误差方程，以便滑模控制方法应用。然后,提出非奇异快速终端滑模面及其对应的控制器,分析并验证了此控制器有效避免奇异问题。以六自由度水下机器人为控制对象进行仿真，对其进行位姿控制，与典型的非奇异快速终端滑模控制方法进行对比，仿真结果表明，该方法可以使位姿在有限时间内收敛至目标位姿，相对收敛精度更高，并且有效抑制水下机器人系统内部参数不确定和外部干扰带来的影响。定和外部干扰带来的影响。定和外部干扰带来的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种新型水下机器人非奇异快速终端滑模控制方法及系统


[0001]本专利技术属于水下运载器的轨迹跟踪控制方法
，本专利技术涉及一种新型水下机器人非奇异快速终端滑模控制方法及系统。

技术介绍

[0002]自主水下机器人(AUV)如今已被广泛用于完成各种水下任务，比如：水下矿石开采、水下救援、海洋学研究等等。为了能出色的完成水下作业，精准的位姿跟踪至关重要。然而不确定的水下环境使得AUV的动力学模型的强非线性、高耦合性以及内部参数不确定的特点表现更加突出，这对控制器的性能产生了严重的影响，给控制器设计带来了巨大挑战，因此设计有效的控制器是AUV设计的主要任务。
[0003]传统的水下机器人控制器设计多采用线性控制方法，以实现水下机器人的位姿跟踪使误差收敛到零的目标.这种控制方法虽然有效，但实现的渐进收敛容易导致收敛时间过长，其对应的是机器人控制实时性较弱。针对这样的不足，近年来，许多先进的非线性控制方法被提出，如反演控制、模型预测控制、自适应控制、滑模控制这些控制方法中，滑模控制由于强鲁棒性、简单和对参数变化不灵敏的优点而引起研究人员的关注并迅速应用至水下机器人的控制器设计中。Wang等人提出终端滑模控制(Terminal Sliding Mode Control,TSMC),该方法通过在滑模面中添加幂级数小于1的非线性项，加快了平衡点附近的收敛速度，实现有限时间收敛。Yu等人提出一种快速终端滑模控制(Fast Terminal Sliding Mode Control,FTSMC),该方法在初始位置远离或者是靠近平衡点时，都有着比终端滑模控制更快的收敛速度。虽然这几种方法在控制中各有其优点，但终端滑模控制和快速终端滑模控制在设计控制器时，有负次数幂项，这导致系统收敛至平衡点附近时会出现奇异问题。Elmokadem等人针对奇异问题提出了非奇异快速终端滑模控制通过修改终端滑模面解决了奇异问题。
[0004]申请号2016107072404公开了一种基于时延估计的水下运载器终端滑模控制方法。该方法采用时延估计技术来估算水下运载器闭环控制系统的集总不确定性，使得整个控制算法不依赖于系统模型。在此基础上，将一种快速非奇异终端滑模超平面和一种快速终端滑模趋近律相结合，推导出一种基于时延估计的水下运载器连续快速非奇异终端滑模轨迹跟踪控制方法。该方法采用时延估计技术估算水下运载器闭环控制系统的集总不确定性，但是仍然无法准确估计，控制精度有待进一步提高。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种新型水下机器人非奇异快速终端滑模控制方法及系统，将水下机器人的动力学方程变换为轨迹跟踪误差方程，以便滑模控制方法应用，然后提出非奇异快速终端滑模面及其对应的控制器，可以使位姿在有限时间内收敛至目标位姿，相对收敛精度更高，并且有效抑制水下机器人系统内部参数不确定和外部干扰带来的影响。
[0006]实现本专利技术目的的技术解决方案为：
[0007]一种新型水下机器人非奇异快速终端滑模控制方法，包括以下步骤：
[0008]S01：构建水下机器人的动力学方程；
[0009]S02：将动力学方程变换为轨迹跟踪误差方程；
[0010]S03：设计非奇异快速终端滑模控制的滑模面为：
[0011][0012]其中，e为跟踪误差，为e的一阶导数，α、β为控制参数，α＝diag([α1,
…
,α6]),β＝diag([β1,
…
,β6]),且α
i
,β
i
>0,i＝1,
…
,6，0<q
i
<p
i
<2q
i
代表内部参数且为奇数，i＝1,
…
6；
[0013]S04：对水下机器人应用非奇异快速终端滑模控制，控制输入设计为：
[0014][0015]其中，σ＝[σ1,
…
,σ6]T
代表内部参数,σ
i
>0,|D
i
|<L
i
,i＝1,2,
…
,6，L
i
代表第i维D的上界，B、f、D为轨迹跟踪误差方程参数，Lsign(s)为干扰上下界符号函数。
[0016]优选的技术方案中，所述步骤S01中构建水下机器人的动力学方程包括：
[0017]水下机器人的动力学模型一般描述：
[0018][0019]其中，η∈R6×1＝[η1,η2]T
＝[x,y,z,φ,θ,ψ]T
代表水下机器人在世界坐标系下的位置和角度，ν∈R6×1＝[ν1,ν2]T
＝[u,v,w,p,q,r]T
代表水下机器人在运动坐标系下的速度和角速度，τ∈R6×1＝[F
e
,M
e
]T
＝[X,Y,Z,K,M,N]T
代表水下机器人所受外部施加的力和力矩；M∈R6×6是惯量矩阵；C(ν)∈R6×6为刚体科氏项和向心项矩阵；D(ν)为流体阻尼矩阵；G(η)为重力与浮力矩阵，d(η,t)为水下机器人受到的外部干扰，t为时间；为水下机器人在世界坐标系下的速度和角速度，为水下机器人在运动坐标系下的速度和角速度；
[0020]运动坐标系和世界坐标系下的坐标转换矩阵由J(η)表示为：
[0021][0022]R(η),T(η)为：
[0023][0024][0025]其中，s(
·
),c(
·
),t(
·
)分别代表sin(
·
),cos(
·
),tan(
·
)，θ为俯仰角，ψ为俯仰角、φ为横滚角；
[0026]世界坐标系下的动力学模型变换为：
[0027][0028]其中：A为方程参数，为η的二阶导数，表示水下机器人在世界坐标系下的加速度和角加速度。
[0029]优选的技术方案中，水下机器人计算得到的动力学参数与实际动力学参数的误差值值dis代表外部干扰，
△
表示变化的量，|d
n
(η,t)|≤L
gn
,n＝1,2,3,4,5,6,L
gn
为第n维的上界。
[0030]优选的技术方案中，控制器中的sign(
·
)用来抵消模型不确定和外部干扰；
[0031]当跟踪误差接近平衡点时，与跟踪误差相关的当跟踪误差接近平衡点时，与跟踪误差相关的趋向零从而削弱(L|s|
‑
sD)的影响，进而抑制扰动，其中，L代表D的上界，|s|代表滑模面的绝对值；
[0032]若系统状态变量到达平衡点时，此时k＝0，模型参数不确定以及外部干扰就不会对系统产生任何影响，进行无抖振的滑模控制。
[0033]本专利技术还公开了一种新型水下机器人本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种新型水下机器人非奇异快速终端滑模控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S01：构建水下机器人的动力学方程；S02：将动力学方程变换为轨迹跟踪误差方程；S03：设计非奇异快速终端滑模控制的滑模面为：其中，e为跟踪误差，为e的一阶导数，α、β为控制参数，α＝diag([α1,
…
,α6]),β＝diag([β1,
…
,β6]),且α
i
,β
i
>0,i＝1,
…
,6，0<q
i
<p
i
<2q
i
代表内部参数且为奇数，代表内部参数且为奇数，S04：对水下机器人应用非奇异快速终端滑模控制，控制输入设计为：其中，σ＝[σ1,
…
,σ6]
T
代表内部参数,σ
i
>0,|D
i
|<L
i
,i＝1,2,
…
,6，L
i
代表第i维D的上界，B、f、D为轨迹跟踪误差方程参数，Lsign(s)为干扰上下界符号函数。2.根据权利要求1所述的新型水下机器人非奇异快速终端滑模控制方法，其特征在于，所述步骤S01中构建水下机器人的动力学方程包括：水下机器人的动力学模型一般描述：其中，η∈R6×1＝[η1,η2]
T
＝[x,y,z,φ,θ,ψ]
T
代表水下机器人在世界坐标系下的位置和角度，ν∈R6×1＝[ν1,ν2]
T
＝[u,v,w,p,q,r]
T
代表水下机器人在运动坐标系下的速度和角速度，τ∈R6×1＝[F
e
,M
e
]
T
＝[X,Y,Z,K,M,N]
T
代表水下机器人所受外部施加的力和力矩；M∈R6×6是惯量矩阵；C(ν)∈R6×6为刚体科氏项和向心项矩阵；D(ν)为流体阻尼矩阵；G(η)为重力与浮力矩阵，d(η,t)为水下机器人受到的外部干扰，t为时间；为水下机器人在世界坐标系下的速度和角速度，为水下机器人在运动坐标系下的速度和角速度；运动坐标系和世界坐标系下的坐标转换矩阵由J(η)表示为：R(η),T(η)为：
其中，s(
·
),c(
·
),t(
·
)分别代表sin(
·
),cos(
·
),tan(
·
)，θ为俯仰角，ψ为俯仰角、φ为横滚角；世界坐标系下的动力学模型变换为：其中：A为方程参数，为η的二阶导数，表示水下机器人在世界坐标系下的加速度和角加速度。3.根据权利要求2所述的新型水下机器人非奇异快速终端滑模控制方法，其特征在于，水下机器人计算得到的动力学参数与实际动力学参数的误差值dis代表外部干扰，
△
表示变化的量，|d
n
(η,t)|≤L
gn
,n＝1,2,3,4,5,6,L
gn
为第n维的上界。4.根据权利要求1所述的新型水下机器人非奇异快速终端滑模控制方法，其特征在于，控制器中的sign(
·
)用来抵消模型不确定和外部干扰；当跟踪误差接近平衡点时，与跟踪误差相关的当跟踪误差接近平衡点时，与跟踪误差相关的趋向零从而削弱(L|s|
‑
sD)的影响，进而抑制扰动，其中，L代表D的上界，|s|代表滑模面的绝对值；若系统状态变量到达平衡点时，此时k＝0，模型参数不确定以及外部干扰就不会对系统产生任何影响，进行无抖振的滑模控制。5.一种新型水下机器人非奇异快速终端滑模控制系统，其特征在于，包括：动力学方程构建模块，构建水下机器人的动力学方程；轨迹跟踪误差变换模块，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王磊，王飞，朱继红，
申请(专利权)人：常熟理工学院，
类型：发明
国别省市：