CN106708064B - 一种水下机器人的垂直面控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下机器人的垂直面控制方法，包括深度串级控制和纵倾角串级控制；所述深度串级控制和纵倾角串级控制均采用两个一阶自抗扰控制器：外环一阶自抗扰控制器和内环一阶自抗扰控制器；所述深度串级控制包括以下步骤：将深度作为反馈信号传送给外环一阶自抗扰控制器，输出值作为垂向速度控制内环的给定值，然后通过内环一阶自抗扰控制器得到垂直控制力；所述纵倾角串级控制包括以下步骤：将纵倾角作为反馈信号传送给外环一阶自抗扰控制器，输出值作为纵倾角速率控制内环的给定值，然后通过内环一阶自抗扰控制器得到垂直控制力矩；将垂直控制力和垂直控制力矩作用于水下机器人。本发明可增加水下机器人的抗干扰能力，减弱水中控制存在滞后性的影响，实现水下机器人在垂直面上快速稳定的控制。

Description

一种水下机器人的垂直面控制方法

技术领域

本发明涉及一种水下机器人的垂直面控制方法，属于水下机器人控制技术领域。

背景技术

水下机器人是一种集时变、耦合、时延的非线性复杂系统。由于作业环境中存在的风、浪涌、流等恶劣的外在影响因素及难以得到精确的运动学模型的内在因素，使得水下机器人的控制变得困难重重。水下机器人的垂直面运动是空间运动中非常普遍而重要的一环，常用于航行、上浮下潜、悬停等，因此具有显著的应用价值和研究意义。

水下机器人常用的控制方法比例-积分-微分(PID)控制，具有简单易用的特点，但在存在明显滞后、干扰强烈的环境下，控制精度和鲁棒性受到较大影响。随着水下机器人控制需求的日益增长，许多先进的控制方法应用到水下机器人的控制中，例如鲁棒控制、滑模变结构控制、神经网络控制、自抗扰控制等。鲁棒控制主要用于处理内部不确定性，对外部的抗干扰能力不强；滑模变结构控制能处理内外部的干扰，但较难彻底去除高频抖振现象；神经网络控制在工程实现上较为复杂，控制过程中存在滞后；自抗扰控制利用扩张状态观测器将系统内外部扰动统一为总扰动进行观测估计，并进行实时补偿，且工程实现上简单易行。串级控制通过内环的快速控制具有较强的抗干扰能力，同时也能减弱滞后的影响。将串级控制和自抗扰控制技术相结合能发挥各自优势，大大提高控制的快速性、稳态性能及抗扰能力。

因此，研究实用工程化的水下机器人垂直面控制方法，提高水下机器人的控制精度和抗干扰能力，是当前水下机器人运动控制中的一个重要热点问题。

发明内容

本发明针对传统控制方法的弱点，提出了一种基于自抗扰控制技术和串级控制的水下机器人的垂直面控制方法，可实现快速、平滑、超调小的垂直面控制，提高了深度和纵倾角的动态性能和稳态性能。

本发明解决其问题所采用的技术方案如下：一种水下机器人的垂直面控制方法，所述垂直面控制包括深度串级控制和纵倾角串级控制；

所述深度串级控制和纵倾角串级控制均采用两个一阶自抗扰控制器：外环一阶自抗扰控制器和内环一阶自抗扰控制器；

所述深度串级控制包括以下步骤：将深度作为反馈信号传送给外环一阶自抗扰控制器，输出值作为垂向速度控制内环的给定值，然后通过内环一阶自抗扰控制器得到垂直控制力；

所述纵倾角串级控制包括以下步骤：将纵倾角作为反馈信号传送给外环一阶自抗扰控制器，输出值作为纵倾角速率控制内环的给定值，然后通过内环一阶自抗扰控制器得到垂直控制力矩；

将垂直控制力和垂直控制力矩作用于水下机器人。

所述外环一阶自抗扰控制器采用离散方程形式，设计如下：

其中，

其中，r₀是决定v₁跟踪目标值v快慢的速度因子，r₀值越大，过渡过程越快；e是状态估计量z₁₁和状态量x₁的差值，扩张状态观测器使得状态估计量逐渐收敛趋近于状态量；z₁₁和z₁₂是扩张状态观测器的状态值，它们分别是状态量x₁和外环总扰动的估计值；h是采样步长；k是采样时间；v₁是输入信号v的跟踪值；β₀₁和β₀₂为外环扩张状态观测器的可调参数；β₁为外环控制器的反馈增益；u₁为控制量输出，即垂向速度目标值，作为内环输入量；e₁是系统给定值与状态x₁估计值的差值；深度控制外环目标值v为z_ref；纵倾角控制外环目标值v为θ_ref。

所述内环一阶自抗扰控制器采用离散方程形式，设计如下：

其中，β₁₁和β₁₂为内环扩张状态观测器的可调参数；β₂为内环控制器的反馈增益；z₂₁和z₂₂是扩张状态观测器的状态值，它们分别是状态量x₂和内环总扰动的估计值；h是采样步长；k是采样时间；β₁₁和β₁₂为内环扩张状态观测器的可调参数；β₂为内环控制器的反馈增益；e是状态估计量z₂₁和状态量x₂的差值；e₂是内环给定值u₁与状态x₂估计值的差值；u₂为控制量输出，作用于水下机器人垂直面运动方程组{u,w,q}，方程组的输出作用于水下机器人的姿态和方位方程组{θ,ξ,ζ}；内环目标值为u₁。

本发明具有以下有益效果及意义：

1.本发明将垂直面控制方法分为深度串级控制和纵倾角串级控制，串级控制的内外环都采用一阶自抗扰控制器，实现了水下机器人快速平稳的垂直面运动。

2.本发明将串级控制与自抗扰控制技术相结合，将串级控制的抗滞后性与自抗扰控制技术的抗干扰性和快速平稳性相结合，使水下机器人的垂直面控制能快速平滑收敛，同时对系统内外部的干扰具有较强的鲁棒性。

3.本发明设计的深度和纵倾角串级控制器参数调节规律，仅调整采样步长h即可调节系统的控制性能，能方便快捷调整好，利于工程应用。

附图说明

图1为本发明的深度和纵倾角串级控制采用的一阶自抗扰控制器结构图；

图2为本发明的水下机器人垂直面控制方法结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细介绍。

本发明的基于自抗扰控制技术的水下机器人垂直面串级控制方法，包括以下步骤：

第一步：建立水下机器人垂直面运动学模型，描述如下：

垂向力方程：

纵倾力矩方程：

姿态及位置方程：

上述模型参数见表1。

表1载体几何参数

符号	定义	单位
			B	载体水下浮力	牛顿
W	载体水下重力	牛顿
			m	水下质量	千克
L	载体长度	米
			θ，q	载体纵倾角和纵倾角速度	rad和rad/s
w	载体垂向速度	米/秒
			x<sub>B</sub>，y<sub>B</sub>，z<sub>B</sub>	载体浮心在随体坐标系中的坐标	米
x<sub>G</sub>，z<sub>G</sub>	载体重心在随体坐标系中的坐标	米
			ζ<sub>G</sub>	载体在大地坐标系中垂向的坐标	米
ρ	海水密度	千克/立方米
			I<sub>yy</sub>	载体绕y轴的质量惯性矩	千克·米<sup>2</sup>

其中，表示变量x的微分量；水动力系统中的加速度项系数分别有 水动力系统中的速度项系数分别有Z'_q|q|，Z'_|w|q，Z'_w|w|，Z'_ww，M'_q|q|，M'_|w|q，M′_w|w|，M′_ww。

第二步：根据第一步建立的水下机器人垂直面运动学模型，设计基于自抗扰控制器的水下机器人的垂直面控制方法，主要包括以下两个方面：

(1)设计深度串级控制回路：

(1.1)深度控制外环一阶自抗扰控制器设计如下：

其中，fal(e,α,δ)：

其中，r₀是决定v₁跟踪目标值v快慢的速度因子，r₀值越大，过渡过程越快；h是采样步长；k是采样时间；v₁是输入信号v的跟踪值；β₀₁和β₀₂为外环扩张状态观测器的可调参数；β₁为外环控制器的反馈增益；u₁为控制量输出，即垂向速度目标值；x₁为深度反馈值；深度控制外环目标值v为z_ref。

(1.2)垂向速度控制内环一阶自抗扰控制器设计如下：

其中，β₁₁和β₁₂为内环扩张状态观测器的可调参数；β₂为内环控制器的反馈增益；u₂为控制量输出；x₂为垂向速度反馈值；深度控制内环目标值为u₁。

(2)设计纵倾角串级控制回路：

(2.1)纵倾角控制外环一阶自抗扰控制器设计如下：

其中，fal(e,α,δ)：

其中，r₁是决定v₂跟踪目标值v快慢的速度因子，r₁值越大，过渡过程越快；h是采样步长；k是采样时间；v₂是输入信号v的跟踪值；β₂₁和β₂₂为外环扩张状态观测器的可调参数；β₃为外环控制器的反馈增益；u₃为控制量输出，即纵倾角速率目标值；x₃为纵倾角反馈值；纵倾角控制外环目标值v为θ_ref。

(2.2)纵倾角速率控制内环一阶自抗扰控制器设计如下：

其中，β₃₁和β₃₂为内环扩张状态观测器的可调参数；β₄为内环控制器的反馈增益；u₄为控制量输出；x₄为纵倾角速率反馈值；纵倾角控制内环目标值为u₄。

第三步：记第二步得出的控制量为u＝[u₂,u₄]^T，作用于水下机器人垂直面运动方程组{w,q}，方程组的输出作用于水下机器人的姿态和方位方程组{θ,ζ}。

Claims (2)

1.一种水下机器人的垂直面控制方法，其特征在于，所述垂直面控制包括深度串级控制和纵倾角串级控制；

所述深度串级控制和纵倾角串级控制均采用两个一阶自抗扰控制器：外环一阶自抗扰控制器和内环一阶自抗扰控制器；

所述深度串级控制包括以下步骤：将深度作为反馈信号传送给外环一阶自抗扰控制器，输出值作为垂向速度控制内环的给定值，然后通过内环一阶自抗扰控制器得到垂直控制力；

所述纵倾角串级控制包括以下步骤：将纵倾角作为反馈信号传送给外环一阶自抗扰控制器，输出值作为纵倾角速率控制内环的给定值，然后通过内环一阶自抗扰控制器得到垂直控制力矩；

将垂直控制力和垂直控制力矩作用于水下机器人；

所述外环一阶自抗扰控制器采用离散方程形式，设计如下：

其中，

其中，r₀是决定v₁跟踪目标值v快慢的速度因子，r₀值越大，过渡过程越快；e是状态估计量z₁₁和状态量x₁的差值，扩张状态观测器使得状态估计量逐渐收敛趋近于状态量；z₁₁和z₁₂是扩张状态观测器的状态值，它们分别是状态量x₁和外环总扰动的估计值；h是采样步长；k是采样时间；v₁是输入信号v的跟踪值；β₀₁和β₀₂为外环扩张状态观测器的可调参数；β₁为外环控制器的反馈增益；u₁为控制量输出，即垂向速度目标值，作为内环输入量；e₁是系统给定值与状态x₁估计值的差值；深度控制外环目标值v为z_ref；纵倾角控制外环目标值v为θ_ref。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述内环一阶自抗扰控制器采用离散方程形式，设计如下：

其中，β₁₁和β₁₂为内环扩张状态观测器的可调参数；β₂为内环控制器的反馈增益；z₂₁和z₂₂是扩张状态观测器的状态值，它们分别是状态量x₂和内环总扰动的估计值；h是采样步长；k是采样时间；β₁₁和β₁₂为内环扩张状态观测器的可调参数；β₂为内环控制器的反馈增益；e是状态估计量z₂₁和状态量x₂的差值；e₂是内环给定值u₁与状态x₂估计值的差值；u₂为控制量输出，作用于水下机器人垂直面运动方程组{u,w,q}，方程组的输出作用于水下机器人的姿态和方位方程组{θ,ξ,ζ}；内环目标值为u₁。