【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及无人潜航器，尤其涉及一种载臂无人潜航器艇-臂耦合协调控制方法及系统。
技术介绍
1、随着国内外海洋资源开发与研究的不断发展，载臂无人潜航器在深海科学探索、海底资源勘测和水下作业等领域得到了极其广泛的应用。
2、由于复杂的水下环境因素和载臂无人潜航器自身的特性，载臂无人潜航器在作业过程中具有高度非线性和强耦合性，如果控制方法不合适，载臂无人潜航器很难有效完成预定的作业任务。专利文献“一种rov水下机器人的运动控制方法(cn105404303a)”和“浮游式水下机器人运动的s面控制方法(cn1718378a)”提出的水下机器人协调控制方法，虽然可以完成载臂水下机器人的运动控制，但是水下机器人作业过程中，水下机械臂的运动会严重影响水下机器人的运动状态，并且艇手耦合力会随着水下机械臂作业姿态的变化而变化。因此，上述两种根据水下机械臂作业时产生的艇手耦合干扰误差反馈进行力补偿的控制方法很难精确实现载臂水下机器人执行水下作业时的稳定控制。本专利技术的重点是设计一种载臂无人潜航器艇-臂耦合协调控制方法，对载臂无人潜航器进行协调运动控制，实现作业过程中载臂无人潜航器精确和稳定控制，大大提高系统对外界干扰的鲁棒性。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提出一种载臂无人潜航器艇-臂耦合协调控制方法，能够根据潜航器和水下机械臂的实时位姿反馈估计载臂无人潜航器艇-臂耦合力，有效补偿载臂无人潜航器作业过程中艇、臂各自受到的外界干扰力，进而提高载臂无人潜航器水下作业精度。该方法用于载
2、本专利技术的一个目的是提供一种载臂无人潜航器艇-臂耦合协调控制方法，该载臂无人潜航器包括艇体，以及设置在艇体上的水下机械臂，水下机械臂具有两个关节自由度，其特征在于，艇-臂耦合控制方法包括以下步骤：
3、步骤1：建立载臂无人潜航器的动力学模型；
4、步骤2：在步骤1的基础上，设计时间延迟估计器，利用时间延迟估计器补偿载臂无人潜航器运动过程中艇、臂分别受到的外界干扰力；
5、步骤3：通过步骤2补偿后，基于指数趋近律设计滑模控制器，并利用滑模控制器对载臂无人潜航器进行运动跟踪控制。
6、进一步地，步骤1中基于拉格朗日方法建立载臂无人潜航器动力学模型，载臂无人潜航器动力学模型考虑了水动力和艇手耦合对载臂无人潜航器的影响，如下式所示：
7、
8、
9、其中，η＝[x,y,z,φ,θ,ψ]t，q＝[q1,q2]t，η是载臂无人潜航器的位姿向量，q是水下机械臂的关节角向量，x,y,z分别是载臂无人潜航器在纵向、横向、垂向三个方向上的位置分量，φ,θ,ψ分别是载臂无人潜航器在横滚、纵摇、艏摇三个方向上的姿态分量，q1,q2分别是水下机械臂的两个关节角度分量；v＝[u,v,w,p,q,r]t，v是载臂无人潜航器的速度向量，是水下机械臂的关节角速度向量，u,v,w分别是载臂无人潜航器三个位置分量对应的线速度分量，p,q,r分别是载臂无人潜航器三个姿态分量对应的角速度分量，分别是水下机械臂的两个关节角速度分量；是载臂无人潜航器的加速度向量；是载臂无人潜航器的雅可比矩阵；是艇体的惯性矩阵；是艇体的科氏力和向心力矩阵；是艇体所受的水阻力矩阵；是艇体所受的恢复力；是未知的外界环境干扰力；是推进器和关节电机驱动力。
10、更进一步地，步骤2中设计的时间延迟估计器如下式所示：
11、
12、其中，是的时间延迟估计量，为外界干扰力造成的总不确定动力项，是的时间延迟估计量，t-λ是时间延迟值，τ(t-λ)是时间延迟产生的力矩，是由时间延迟产生的期望加速度；
13、接着，设计基于时间延迟估计器的干扰抑制滑模控制器如下：
14、
15、
16、其中，u是滑模控制律，是载臂无人潜航器的期望加速度向量，c是滑模面参数矩阵，是跟踪误差变化率，ε是时间延迟估计器的误差，s是滑模面矢量，k是滑模面矢量的常系数。
17、更进一步地，根据步骤2中设计的时间延迟估计器、干扰抑制滑模控制器以及滑模控制律，得到的滑模控制器如下式所示：
18、
19、更进一步地，基于指数趋近律的滑模面矢量导数控制步骤3设计的滑模控制器的趋势，则滑模面矢量导数具体表达如下式所示：
20、
21、其中，
22、
23、本专利技术的另一个目的是提供一种载臂无人潜航器艇-臂耦合协调控制系统，该系统包括：
24、模型建立模块，用于建立载臂无人潜航器动力学模型；
25、补偿模块，用于利用权利要求1中所述步骤2设计的时间延迟估计器补偿载臂无人潜航器运动过程中艇、臂分别受到的外界干扰力；
26、运动跟踪控制模块，用于利用权利要求1中所述步骤3设计的基于指数趋近律的滑模控制器对载臂无人潜航器进行运动跟踪控制。
27、进一步地，补偿模块利用的时间延迟估计器如下式所示：
28、
29、其中，是的时间延迟估计量，为外界干扰力造成的总不确定动力项，是的时间延迟估计量，t-λ是时间延迟值，τ(t-λ)是时间延迟产生的力矩，是由时间延迟产生的期望加速度；
30、基于时间延迟估计器的干扰抑制滑模控制器如下式所示：
31、
32、
33、其中，u是滑模控制律，是载臂无人潜航器的期望加速度向量，c是滑模面参数矩阵，是跟踪误差变化率，ε是时间延迟估计器的误差，s是滑模面矢量，k是滑模面矢量的常系数。
34、进一步地，运动跟踪控制模块利用的滑模控制器如下式所示：
35、
36、更进一步地，在运动跟踪控制模块中，利用基于指数趋近律的滑模面矢量导数控制滑模控制器的趋势，则滑模面矢量导数具体表达如下式所示：
37、
38、其中，
39、
40、与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：
41、本专利技术基于载臂无人潜航器水下作业控制的需求设计一种载臂无人潜航器艇-臂耦合协调控制方法，通过估计载臂无人潜航器艇-臂耦合力，并进行有效补偿，保证载臂无人潜航器水下作业精度，实现载臂无人潜航器的精确作业控制。改专利技术具有控制精确、鲁棒性高、适应性强等优点。
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1.一种载臂无人潜航器艇-臂耦合协调控制方法，该载臂无人潜航器包括艇体，以及设置在艇体上的水下机械臂，水下机械臂具有两个关节自由度，其特征在于，艇-臂耦合控制方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种载臂无人潜航器艇-臂耦合协调控制方法，其特征在于，步骤1中基于拉格朗日方法建立载臂无人潜航器的动力学模型，该动力学模型考虑了水动力和艇臂耦合对载臂无人潜航器的动力学影响，载臂无人潜航器的动力学模型如下式所示：
3.根据权利要求2所述的一种载臂无人潜航器艇-臂耦合协调控制方法，其特征在于，步骤2中设计的时间延迟估计器如下式所示：
4.根据权利要求3所述的一种载臂无人潜航器艇-臂耦合协调控制方法，其特征在于，根据步骤2中设计的时间延迟估计器、干扰抑制滑模控制器以及滑模控制律，得到的滑模控制器如下式所示：
5.根据权利要求4所述的一种载臂无人潜航器艇-臂耦合协调控制方法，其特征在于，基于指数趋近律的滑模面矢量导数控制步骤3设计的滑模控制器的趋势，则滑模面矢量导数具体表达如下式所示：
6.一种载臂无人潜航器艇-臂耦合协调控制系
7.根据权利要求6所述的一种载臂无人潜航器艇-臂耦合协调控制系统，其特征在于，补偿模块利用的时间延迟估计器如下式所示：
8.根据权利要求7所述的一种载臂无人潜航器艇-臂耦合协调控制系统，其特征在于，运动跟踪控制模块利用的滑模控制器如下式所示：
9.根据权利要求8所述的一种载臂无人潜航器艇-臂耦合协调控制系统，其特征在于，在运动跟踪控制模块中，利用基于指数趋近律的滑模面矢量导数控制滑模控制器的趋势，则滑模面矢量导数具体表达如下式所示：
...【技术特征摘要】
1.一种载臂无人潜航器艇-臂耦合协调控制方法，该载臂无人潜航器包括艇体，以及设置在艇体上的水下机械臂，水下机械臂具有两个关节自由度，其特征在于，艇-臂耦合控制方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种载臂无人潜航器艇-臂耦合协调控制方法，其特征在于，步骤1中基于拉格朗日方法建立载臂无人潜航器的动力学模型，该动力学模型考虑了水动力和艇臂耦合对载臂无人潜航器的动力学影响，载臂无人潜航器的动力学模型如下式所示：
3.根据权利要求2所述的一种载臂无人潜航器艇-臂耦合协调控制方法，其特征在于，步骤2中设计的时间延迟估计器如下式所示：
4.根据权利要求3所述的一种载臂无人潜航器艇-臂耦合协调控制方法，其特征在于，根据步骤2中设计的时间延迟估计器、干扰抑制滑模控制器以及滑模控制律，得到的滑模控制器如下式所示：<...
【专利技术属性】
技术研发人员：汤奇荣，余敏，刘浩煜，刘明昊，张文凯，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：
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