一种自主水下机器人系统轨迹跟踪控制方法技术方案

本申请涉及水下机器人控制技术领域，具体为一种自主水下机器人系统轨迹跟踪控制方法，可以有效解决自主水下机器人通信资源浪费，易受模型不确定性和外部环境影响的问题，确保自主水下机器人实现精确地位置和速度跟踪。主水下机器人实现精确地位置和速度跟踪。主水下机器人实现精确地位置和速度跟踪。

【技术实现步骤摘要】
一种自主水下机器人系统轨迹跟踪控制方法


[0001]本专利技术涉及水下机器人控制
，具体为一种自主水下机器人系统轨迹跟踪控制方法。

技术介绍

[0002]自主水下机器人指的是能够在水下自主运动、感知和执行任务的机器人系统。近年来，自主水下机器人越来越受到人们的普遍重视，其应用范围广泛，涉及海洋勘探、深海科学研究、海底资源开发、海洋环境监测等领域。
[0003]然而，由于自主水下机器人所处的环境，系统模型不确定性等干扰因素，往往导致自主水下机器人不能做出正确指令。一方面，水下环境复杂多变，自主水下机器人需要感知、分析并做出反应，然而受到水流、水温、海洋生物等因素的影响，其执行机构会受到不同程度的约束，难以准确感知周围环境，从而导致跟踪控制效果并不理想；另一方面，由于水下通信存在较大难度，数据通信很容易遭受到干扰和信号损失，导致通信效率低下，传输可靠性差；受水下环境限制，数据传输速度慢，传输容量有限，而且自主水下机器人系统中执行机构与控制装置之间的通信是连续的，这意味着跟踪控制需要实时进行计算和运行，对计算机提出了较高的计算能力和存储容量需求，而且造成了系统结构磨损和通信资源浪费，导致自主水下机器人跟踪效果差，跟踪数据不准确。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种自主水下机器人系统轨迹跟踪控制方法。
[0005]本专利技术技术方案如下：
[0006]本专利技术提供一种自主水下机器人系统轨迹跟踪控制方法，包括以下步骤：
[0007]S1：基于自主水下机器人的运动学模型和动力学模型，构建含有不确定性项和外部干扰的自主水下机器人控制系统，得到跟踪目标的参考轨迹；
[0008]S2：所述自主水下机器人控制系统结合误差转换函数，得到误差系统模型；基于所述误差系统模型，所述参考轨迹与自主水下机器人控制系统的实际输出轨迹结合，得到与位置跟踪误差有关的设计变量，所述自主水下机器人的速度矢量和所述运动学模型的控制输入信号结合，得到与速度跟踪误差有关的设计变量；
[0009]S3：基于所述与位置跟踪误差有关的设计变量，构建第一障碍李雅普诺夫函数，结合所述运动学模型的控制输入信号和位置自适应律，得到第一障碍李雅普诺夫函数导数，控制所述第一障碍李雅普诺夫函数导数的范围不超过第一阈值，实现对自主水下机器人系统轨迹位置跟踪控制；
[0010]S4：利用基于所述第一障碍李雅普诺夫函数和与速度跟踪误差有关的设计变量，构建第二障碍李雅普诺夫函数，结合连续控制输入信号和速度自适应律，得到第二障碍李雅普诺夫函数导数，控制所述第二障碍李雅普诺夫函数导数的范围不超过第二阈值，实现对自主水下机器人系统轨迹速度跟踪控制。
[0011]如上所述的自主水下机器人系统轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述S2的操作具体为：
[0012]将所述自主水下机器人控制系统中运动学模型的实际输出轨迹减去参考轨迹，得到位置跟踪误差向量，所述位置跟踪误差向量与误差转换函数相乘，得到所述与位置跟踪误差有关的设计变量；
[0013]将所述自主水下机器人控制系统中动力学模型的速度矢量减去运动学模型的控制输入信号，得到速度跟踪误差向量，所述速度跟踪误差向量与误差转换函数相乘，得到所述与速度跟踪误差有关的设计变量。
[0014]如上所述的自主水下机器人系统轨迹跟踪控制方法，自主水下机器人控制系统的参考轨迹为：
[0015]y
d
＝[0.21cost 0.26cos(0.8t) 0.2cos(0.6t)]T
[0016]y
d
为参考轨迹，t为时间。
[0017]所述误差转换函数为：
[0018][0019]为误差转换函数，ε为给定正常数，t为时间，T
u
为用户设定的稳定时间。
[0020]如上所述的自主水下机器人系统轨迹跟踪控制方法，所述S3的操作具体为：
[0021]基于所述与位置跟踪误差有关的设计变量，构建含有上、下误差约束边界函数障碍李雅普诺夫函数，与位置自适应律的控制增益矩阵和所述动力学模型的神经网络权值误差结合，构建第一障碍李雅普诺夫函数；
[0022]所述第一障碍李雅普诺夫函数与杨氏不等式结合，求导后，得到初始第一障碍李雅普诺夫函数导数；
[0023]定义所述运动学模型的控制输入信号和位置自适应律后，输入至所述初始第一障碍李雅普诺夫函数导数中，得到所述第一障碍李雅普诺夫函数导数，控制所述第一障碍李雅普诺夫函数导数的范围不超过第一阈值，实现所述对自主水下机器人系统轨迹位置跟踪控制。
[0024]其中，所述运动学模型中的控制输入信号为：
[0025][0026]α1为运动学模型的控制输入信号，λ
11
为运动学模型的可调节正常数，k1为运动学模型的控制增益矩阵，γ1为位置自适应律的控制增益矩阵，Γ1为运动学模型的控制增益向量，F1为含有上、下误差约束边界函数障碍李雅普诺夫函数向量，为运动学模型的神经网络权值估计，Φ1为第一计算函数，为误差转换函数的导数，η1为运动学模型的比例函数向量，v1为与位置跟踪误差有关的设计变量；所述位置自适应律为：
[0027][0028]为位置自适应律，σ1为的控制增益向量。
[0029]如上所述的自主水下机器人系统轨迹跟踪控制方法，所述S4的操作具体为：
[0030]将所述第一障碍李雅普诺夫函数和与速度跟踪误差有关的设计变量，与正设计参数和动力学模型的神经网络权值估计结合，构建第二障碍李雅普诺夫函数；
[0031]所述第二障碍李雅普诺夫函数与杨氏不等式结合，求导后，得到初始第二障碍李雅普诺夫函数导数；
[0032]定义所述连续控制输入信号和速度自适应律后，输入至所述初始第二障碍李雅普诺夫函数导数中，得到所述第二障碍李雅普诺夫函数导数，控制所述第二障碍李雅普诺夫函数导数的范围不超过第二阈值，实现所述对自主水下机器人系统轨迹速度跟踪控制。
[0033]其中，所述连续控制输入信号为：
[0034][0035]为连续控制输入信号，κ为事件触发增益常数，λ2为动力学模型的可调节正常数，k2为动力学模型的控制增益矩阵，e2为速度跟踪误差向量，γ2为速度自适应律的控制增益矩阵，为误差转换函数的导数，为动力学模型的神经网络权值估计，Φ2为第二已知函数，v2为与跟踪误差有关的设计变量，为动力学模型中运动控制方向已知常数；
[0036]其中，所述连续控制输入信号满足其中，所述连续控制输入信号满足为t时刻下连续控制输入信号，为e(t)、ζ(t)、t的事件触发机制函数，e(t)为t时刻下连续控制输入与t
k
时刻下实际控制输入u(t)的测量误差，t∈[t
k
,t
k+1
)，为t
k
时刻下控制输入信号，t为时间，t
k
表示控制器发生第k次触发的时刻，t
k+1
为控制器发生第k+1次触发的时刻，[t<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自主水下机器人系统轨迹跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：基于自主水下机器人的运动学模型和动力学模型，构建含有不确定性项和外部干扰的自主水下机器人控制系统，得到跟踪目标的参考轨迹；S2：所述自主水下机器人控制系统结合误差转换函数，得到误差系统模型；基于所述误差系统模型，所述参考轨迹与自主水下机器人控制系统的实际输出轨迹结合，得到与位置跟踪误差有关的设计变量，所述自主水下机器人的速度矢量和所述运动学模型的控制输入信号结合，得到与速度跟踪误差有关的设计变量；S3：基于所述与位置跟踪误差有关的设计变量，构建第一障碍李雅普诺夫函数，结合所述运动学模型的控制输入信号和位置自适应律，得到第一障碍李雅普诺夫函数导数，控制所述第一障碍李雅普诺夫函数导数的范围不超过第一阈值，实现对自主水下机器人系统轨迹位置跟踪控制；S4：基于所述第一障碍李雅普诺夫函数和与速度跟踪误差有关的设计变量，构建第二障碍李雅普诺夫函数，结合连续控制输入信号和速度自适应律，得到第二障碍李雅普诺夫函数导数，控制所述第二障碍李雅普诺夫函数导数的范围不超过第二阈值，实现对自主水下机器人系统轨迹速度跟踪控制。2.根据权利要求1所述的自主水下机器人系统轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述S2操作具体为：将所述自主水下机器人控制系统中运动学模型的实际输出轨迹减去参考轨迹，得到位置跟踪误差向量，所述位置跟踪误差向量与误差转换函数相乘，得到所述与位置跟踪误差有关的设计变量；将所述自主水下机器人控制系统中动力学模型的速度矢量减去运动学模型的控制输入信号，得到速度跟踪误差向量，所述速度跟踪误差向量与误差转换函数相乘，得到所述与速度跟踪误差有关的设计变量。3.根据权利要求1所述的自主水下机器人系统轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述参考轨迹为：y
d
＝[0.21cost0.26cos(0.8t)0.2cos(0.6t)]
T
y
d
为参考轨迹，t为时间。4.根据权利要求1所述的自主水下机器人系统轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述误差转换函数为：差转换函数为：为所述误差转换函数，ε为给定正常数，t为时间，T
u
为用户设定的稳定时间。5.根据权利要求1所述的自主水下机器人系统轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述S3的操作具体为：基于所述与位置跟踪误差有关的设计变量，构建含有上、下误差约束边界函数障碍李雅普诺夫函数，与位置自适应律的控制增益矩阵和所述动力学模型的神经网络权值误差结合，构建第一障碍李雅普诺夫函数；
所述第一障碍李雅普诺夫函数与杨氏不等式结合，求导后，得到初始第一障碍李雅普诺夫函数导数；定义所述运动学模型的控制输入信号和位置自适应律后，输入至所述初始第一障碍李雅普诺夫函数导数中，得到所述第一障碍李雅普诺夫函数导数，控制所述第一障碍李雅普诺夫函数导数的范围不超过第一阈值，实现所述对自主水下机器人系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：宗广灯，王玉迪，陈云军，张璐，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：