一种海洋机器人的动态补偿型自抗扰艏向控制方法技术

一种海洋机器人的动态补偿型自抗扰艏向控制方法，涉及机器人运动控制领域。本发明专利技术是为了解决现有艏向控制方法不能在不同航速下保证稳定的艏向控制性能，导致航艏控制准确性差的问题及航艏控制参数求解复杂的问题。本发明专利技术包括：将海洋机器人期望艏向角ψ

【技术实现步骤摘要】
一种海洋机器人的动态补偿型自抗扰艏向控制方法


[0001]本专利技术涉及机器人运动控制领域，特别涉及一种海洋机器人的动态补偿型自抗扰艏向控制方法。

技术介绍

[0002]海洋机器人种类非常多，例如无人艇、波浪滑翔器、水下机器人等。对于海洋机器人艏向运动控制问题，其艏向控制过程大部分是依靠舵机进行驱动。对于这类艏向控制问题，已经有多种控制算法，例如经典PID控制、自抗扰控制、滑模控制等。
[0003]公开号为CN 109828462A的专利技术提出了一种波浪滑翔器变航速下自适应艏向控制器及控制方法，通过波浪滑翔器艏向响应模型和相似原理得到扩张状态观测器中的扰动补偿参数b，然而利用相似原理，会导致参数的求解过程复杂，艏向控制准确性差的问题。公开号为CN 114815595A的专利技术公开了一种基于ADRC自抗扰控制的电动舵机控制系统及控制方法，这种方法提到了利用微分跟踪器改造“非线性PID”方法。然而波浪滑翔器这类海洋机器人具备特殊的推进机理，其航速是不可控的，这种方法会导致航艏控制振荡或发散，从而导致航艏控制准确性差的问题。公开号为CN 104267743B的专利技术提出了一种采用自抗扰控制技术的船载摄像稳定平台控制方法，然而这种方法设计的扩张状态观测器仅适用于摄像稳定平台，并不适应于海洋机器人艏向控制方法。综上，传统航行器上的艏向控制器不能保证在不同航速下均保持良好的艏向控制性能，甚至会造成控制振荡或发散，从而导致航艏控制准确性差的问题，同时还存在航艏控制参数求解复杂的问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术目的是为了解决现有艏向控制方法还存在航艏控制准确性差的、航艏控制参数求解复杂的问题，而提出了一种海洋机器人的动态补偿型自抗扰艏向控制方法。
[0005]一种海洋机器人的动态补偿型自抗扰艏向控制方法具体过程为：
[0006]步骤一、将海洋机器人的期望艏向角ψ
d
输入跟踪微分器中，获得跟踪微分器为期望艏向角ψ
d
安排的过渡过程v1；
[0007]步骤二、初始化控制舵角δ；
[0008]步骤三、获取海洋机器人当前实际艏向角ψ及当前的实际航速U，并将ψ、δ和U输入到线性扩张状态观测器中，获得潜体艏摇系统的扰动补偿参数b及潜体艏摇系统中的三个状态变量；
[0009]所述潜体艏摇系统中的三个状态变量为：潜体艏向z1、转向加速度z2及潜体艏摇系统的扰动z3；
[0010]步骤四、将步骤一和步骤三获得的z1、z2、z3、b、v1输入到基于准则函数的自适应状态误差反馈中，获得所需控制舵角δ'；
[0011]步骤五、通过主控计算机将步骤四获得的所需控制舵角δ'指令下发至舵机的操纵装置上，从而获得所需控制舵角δ'对应的海洋机器人实际艏向角ψ'，将ψ'与期望艏向角ψ
d
比较，若ψ'与ψ
d
的误差在预设误差内则结束艏向控制，若ψ'与ψ
d
的误差不在预设误差内，则将δ'的赋值给δ，ψ'赋值给ψ并返回步骤三，直至ψ'与ψ
d
的误差在预设误差内。
[0012]进一步地，所述步骤一中的跟踪微分器，如下式：
[0013][0014]其中，v1(t)是跟踪微分器为期望艏向角ψ
d
安排的t时刻的过渡过程，v1(t+1)是跟踪微分器为期望艏向角ψ
d
安排的t+1时刻的过渡过程，v2(t)是v1(t)的微分信号，ψ
d
(t)为t时刻潜体的期望艏向，r称为速度因子，h为采样步长，fh是中间变量，h0称为滤波因子，fhan(
·
)称为最速控制综合函数。
[0015]进一步地，
[0016]其中，d、a是中间变量。
[0017]进一步地，
[0018]其中，d0、a0、y是中间变量。
[0019]进一步地，
[0020]进一步地，所述步骤三中的线性扩张状态器，如下式：
[0021][0022]其中，β
01
、β
02
、β
03
为线性扩张状态观测器的增益系数，z
i
，i＝1，2，3，z
i
是线性扩张状态观测器的状态变量，e1、b0是中间变量，是v的导数，v是平滑处理后的实际航速U，K
Fal
是影响v对U跟踪速度的比例系数，Fal()是函数滤波器，δ
Fal
为滤波因子，a
Fal
为滤波设计参数，e
Fal
是中间变量，扰动补偿参数b＝b0v2。
[0023]进一步地，e
Fal
＝U
‑
v。
[0024]进一步地，
[0025]其中，C为舵板的升力系数，L为舵板到潜体重心的距离，I表示潜体绕重心轴的转动惯量，λ
66
为潜体艏摇方向的附加转动惯量系数，ρ为海水密度，S为舵板面积。
[0026]进一步地，β
01
＝3ω，β
02
＝3ω2，β
03
＝ω3；
[0027]其中，ω是增益设计参数。
[0028]进一步地，所述步骤四中的基于准则函数的自适应状态误差反馈，如下式：
[0029][0030]其中，δ
′
是所需控制舵角，δ0是中间变量，Δt＞0是间隔时间，z
i
(t)是t时刻的z
i
，λ是权重系数。
[0031]本专利技术的有益效果为：
[0032]本专利技术提供了一种海洋机器人的动态补偿型自抗扰艏向控制方法。本专利技术设计基于速度信息的改进扩张状态观测器，实现对艏向系统状态信息与扰动信息的观测，本专利技术根据波浪滑翔器运动数学模型，在潜体艏摇自由度上，潜体转艏加速度运动响应与舵角的关系公式，得到扰动补偿参数b，其中各项参数均可方便的通过水动力仿真计算得到，使航艏控制参数求解复更简单。之后本专利技术还提出了航速预处理方法和基于准则函数的自适应状态误差反馈，使得控制器参数能随着航速变化而自适应调节，使不同航速下的海洋机器人控制器均具备自适应的调整能力，使海洋机器人不同航速下保证稳定的艏向控制性能，从而提高了航艏控制准确性。
附图说明
[0033]图1为本专利技术的结构示意图；
[0034]图2为本专利技术流程图。
具体实施方式
[0035]波浪滑翔器是一种特殊的海洋机器人，其由浮体、潜体和系缆三部分共同组成。其中浮体和潜体由系缆连接。只有潜体艏向可以由潜体上的舵机进行直接控制。浮体的艏向及整体的航向控制均是在潜体的拖拽驱动下完成的。所述波浪滑翔器安装有主控计算机、航速传感器、艏向传感器、舵机等装置。其中，波浪滑翔器的航速U由航速传感器得到，潜体艏向角ψ由艏向传感器得到，主控计算机得到期望舵角ψ
d
后经过计算处理得到舵角δ并下发指令给舵机执行操舵指令。
[0036]波浪滑本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种海洋机器人的动态补偿型自抗扰艏向控制方法，其特征在于所述方法具体过程为：步骤一、将海洋机器人的期望艏向角ψ
d
输入跟踪微分器中，获得跟踪微分器为期望艏向角ψ
d
安排的过渡过程v1；步骤二、初始化控制舵角δ；步骤三、获取海洋机器人当前实际艏向角ψ及当前的实际航速U，并将ψ、δ和U输入到线性扩张状态观测器中，获得潜体艏摇系统的扰动补偿参数b及潜体艏摇系统中的三个状态变量；所述潜体艏摇系统中的三个状态变量为：潜体艏向z1、转向加速度z2及潜体艏摇系统的扰动z3；步骤四、将步骤一和步骤三获得的z1、z2、z3、b、v1输入到基于准则函数的自适应状态误差反馈中，获得所需控制舵角δ'；步骤五、通过主控计算机将步骤四获得的所需控制舵角δ'指令下发至舵机的操纵装置上，从而获得所需控制舵角δ'对应的海洋机器人实际艏向角ψ'，将ψ'与期望艏向角ψ
d
比较，若ψ'与ψ
d
的误差在预设误差内则结束艏向控制，若ψ'与ψ
d
的误差不在预设误差内，则将δ'的赋值给δ，ψ'赋值给ψ并返回步骤三，直至ψ'与ψ
d
的误差在预设误差内。2.根据权利要求1所述的一种海洋机器人的动态补偿型自抗扰艏向控制方法，其特征在于：所述步骤一中的跟踪微分器，如下式：其中，v1(t)是跟踪微分器为期望艏向角ψ
d
安排的t时刻的过渡过程，v1(t+1)是跟踪微分器为期望艏向角ψ
d
安排的t+1时刻的过渡过程，v2(t)是v1(t)的微分信号，ψ
d
(t)为t时刻潜体的期望艏向，r称为速度因子，h为采样步长，fh是中间变量，h0称为滤波因子，fhan(
·
)称为最速控制综合函数。3.根据权利要求2所述的一种海洋机器人的动态补偿型自抗扰艏向控制方法，其特征在于：其中，d、a是中间变量。4.根据权利要求3所述的一种海洋机器人的动态补偿型自抗扰艏向控制方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：张拓圣，廖煜雷，万磊，潘恺文，李晔，史健，马腾，张强，王博，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：