CN107526369B - 多推进器的遥控式水下机器人轨迹跟踪控制方法 - Google Patents

多推进器的遥控式水下机器人轨迹跟踪控制方法 Download PDF

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陈杰
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00—Control of position, course or altitude of land, water, air, or space vehicles, e.g. automatic pilot
    • G05D1/10—Simultaneous control of position or course in three dimensions

Abstract

本发明公开了一种多推进器的遥控式水下机器人轨迹跟踪控制方法，用于解决现有水下机器人控制方法实用性差的技术问题。技术方案是基于ROV体坐标系的运动方程
Figure DDA0001436108030000011
建立ROV的两个基本坐标系分别为固定坐标系和运动坐标系，选取的坐标系有：地心惯性坐标Oexiyizi、地球坐标系Oexeyeze、地理坐标系Oxnynzn和ROV体坐标系Oxbybzb，通过定义跟踪误差，取控制律，实现水下机器人控制。本发明利用轨迹跟踪控制器，不需要准确的数学模型，具有结构简单、参数整定方便、易于工业实现和适用面广等优点，通过调整参数使系统得到满意的控制效果。

Description

多推进器的遥控式水下机器人轨迹跟踪控制方法
技术领域
本发明涉及一种水下机器人控制方法，特别涉及一种多推进器的遥控式水下机器人轨迹跟踪控制方法。
背景技术
由于ROV(遥控式水下机器人)运动惯性比较大、水动力系数不确定、机械手的作业运动影响机器人主体的动力学特性，且存在海流等随机干扰，其动力学模型难以确定，而且具有强耦合和非线性的特点，导致ROV难于控制。随着ROV应用范围的扩大，对其自主性、运动控制的精度和稳定性的要求都随之增加，如何提高其运动控制性能成了研究的重要课题。
水下机器人是一个非常复杂的系统，要建立精确的数学运动模型是非常困难的，从而难以通过计算机仿真确定其控制参数。随着控制技术的不断发展，智能控制技术不断涌现，如神经网络、模糊控制、自适应控制等多种智能控制技术。俞建成、张艾群、王晓辉、苏立娟在《自动化学报》2007年08期第840-846页发表的“基于模糊神经网络水下机器人直接自适应控制”提出了基于广义动态模糊神经网络的水下机器人直接自适应控制方法，该控制方法完全通过在线自适应学习算法构建水下机器人的逆动力学模型，提出了基于这种网络结构的水下机器人直接自适应控制器，使用直接自适应控制器对水下机器人进行控制。但该控制方法的参数调试繁琐，且适应性不强，在工程实际应用中难以实现。
发明内容
为了克服现有水下机器人控制方法实用性差的不足，本发明提供一种多推进器的遥控式水下机器人轨迹跟踪控制方法。该方法基于ROV体坐标系的运动方程
Figure BDA0001436108010000011
建立ROV的两个基本坐标系分别为固定坐标系和运动坐标系，选取的坐标系有：地心惯性坐标Oexiyizi、地球坐标系Oexeyeze、地理坐标系Oxnynzn和ROV体坐标系Oxbybzb，通过定义跟踪误差，取控制律，实现水下机器人控制。本发明利用轨迹跟踪控制器，不需要准确的数学模型，具有结构简单、参数整定方便、易于工业实现和适用面广等优点，通过调整参数使系统得到满意的控制效果。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种多推进器的遥控式水下机器人轨迹跟踪控制方法，其特点是包括以下步骤：
步骤一、基于ROV体坐标系的运动方程如下：
Figure BDA0001436108010000021
其中M为广义质量正定矩阵，
Figure BDA0001436108010000022
为水下机器人位置与偏航角，v＝[ur vrr]为广义水流速度，ur为纵向速度，vr为横侧向速度，r为偏航角速率，
Figure BDA0001436108010000023
Figure BDA0001436108010000027
为偏航角，C(v)为广义阻力系数斜对称矩阵，D(v)为流体动力学参数，τc为控制力矩向量；
步骤二、建立ROV的两个基本坐标系分别为固定坐标系和运动坐标系，固定坐标系和运动坐标系均为直角坐标系，并满足右手定则。选取的坐标系有：地心惯性坐标Oexiyizi、地球坐标系Oexeyeze、地理坐标系Oxnynzn和ROV体坐标系Oxbybzb，对于ROV来说，其地理坐标系通过三次旋转得到体坐标系，地理坐标系到ROV体坐标系的旋转矩阵为：
Figure BDA0001436108010000024
其中ψ为地理坐标系第一次绕Ozn轴旋转的角度，旋转后地理坐标系变为Ox'ny'nzn，第二次绕Oy'n旋转θ角度，旋转后地理坐标系变为Ox″ny'nz'n，第三次绕轴Ox″n旋转φ角度，旋转后的地理坐标系即与ROV体坐标系重合。
步骤三、定义跟踪误差，其中ηd为理想轨迹向量，η为实际轨迹向量；
Figure BDA0001436108010000025
其中ηd为理想轨迹，η为实际轨迹；
步骤四、取控制律：
Figure BDA0001436108010000026
其中，Kp,Ki,Kd分别为比例项、积分项和微分项的增益矩阵，且满足
Figure BDA0001436108010000031
Kp>03×3。
本发明的有益效果是：该方法基于ROV体坐标系的运动方程
Figure BDA0001436108010000032
建立ROV的两个基本坐标系分别为固定坐标系和运动坐标系，选取的坐标系有：地心惯性坐标Oexiyizi、地球坐标系Oexeyeze、地理坐标系Oxnynzn和ROV体坐标系Oxbybzb，通过定义跟踪误差，取控制律，实现水下机器人控制。本发明利用轨迹跟踪控制器，不需要准确的数学模型，具有结构简单、参数整定方便、易于工业实现和适用面广等优点，通过调整参数使系统得到满意的控制效果。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
附图说明
图1是本发明多推进器的遥控式水下机器人轨迹跟踪控制方法的流程图。
具体实施方式
参照图1。本发明多推进器的遥控式水下机器人轨迹跟踪控制方法具体步骤如下：
步骤一、基于ROV体坐标系的运动方程如下：
Figure BDA0001436108010000033
其中M为广义质量正定矩阵，
Figure BDA0001436108010000034
为水下机器人位置与偏航角，v＝[ur vrr]为广义水流速度，ur为纵向速度，vr为横侧向速度，r为偏航角速率，
Figure BDA0001436108010000035
为偏航角，C(v)为广义阻力系数斜对称矩阵，D(v)为流体动力学参数，τc为控制力矩向量；各矩阵及参数取值如下：
Figure BDA0001436108010000037
其中m11＝47.5，m22＝94.1，m33＝13.6，m23＝m32＝5.2，d11＝13.5，d22＝50.2，d33＝27.2，d23＝41.4，m32＝17.3。
步骤二、建立合适的坐标系，建立ROV的两个基本坐标系分别为固定坐标系和运动坐标系，以上两坐标系均为直角坐标系，并满足右手定则。选取的坐标系有：地心惯性坐标Oexiyizi、地球坐标系Oexeyeze、地理坐标系Oxnynzn、ROV体坐标系Oxbybzb，对于ROV来说，其地理坐标系通过三次旋转得到体坐标系，地理坐标系到ROV体坐标系的旋转矩阵为：
Figure BDA0001436108010000041
其中ψ为地理坐标系第一次绕Ozn轴旋转的角度，旋转后地理坐标系变为Ox'ny'nzn，第二次绕Oy'n旋转θ角度，旋转后地理坐标系变为Ox″ny'nz'n，第三次绕轴Ox″n旋转φ角度，旋转后的地理坐标系即与ROV体坐标系重合。
步骤三、定义跟踪误差，其中ηd为理想轨迹向量，η为实际轨迹向量；
Figure BDA0001436108010000042
其中ηd为理想轨迹，η为实际轨迹；
步骤四、取控制律：
Figure BDA0001436108010000043
其中，Kp,Ki,Kd分别为比例项、积分项和微分项的增益矩阵，且满足
Figure BDA0001436108010000044
Kp>03×3；
其中，Kp,Ki,Kd分别为比例项、积分项和微分项的增益矩阵，且满足
Figure BDA0001436108010000045
Figure BDA0001436108010000046
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (1)

1.一种多推进器的遥控式水下机器人轨迹跟踪控制方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、基于ROV体坐标系的运动方程如下：
Figure FDA0001436108000000011
其中M为广义质量正定矩阵，
Figure FDA0001436108000000012
为水下机器人位置与偏航角，v＝[ur vr r]为广义水流速度，ur为纵向速度，vr为横侧向速度，r为偏航角速率，
Figure FDA0001436108000000013
Figure FDA0001436108000000014
为偏航角，C(v)为广义阻力系数斜对称矩阵，D(v)为流体动力学参数，τc为控制力矩向量；
步骤二、建立ROV的两个基本坐标系分别为固定坐标系和运动坐标系，固定坐标系和运动坐标系均为直角坐标系，并满足右手定则；选取的坐标系有：地心惯性坐标Oexiyizi、地球坐标系Oexeyeze、地理坐标系Oxnynzn和ROV体坐标系Oxbybzb，对于ROV来说，其地理坐标系通过三次旋转得到体坐标系，地理坐标系到ROV体坐标系的旋转矩阵为：
Figure FDA0001436108000000015
其中ψ为地理坐标系第一次绕Ozn轴旋转的角度，旋转后地理坐标系变为Ox'ny'nzn，第二次绕Oy'n旋转θ角度，旋转后地理坐标系变为Ox″ny'nz'n，第三次绕轴Ox″n旋转φ角度，旋转后的地理坐标系即与ROV体坐标系重合；
步骤三、定义跟踪误差，其中ηd为理想轨迹向量，η为实际轨迹向量；
Figure FDA0001436108000000016
其中ηd为理想轨迹，η为实际轨迹；
步骤四、取控制律：
Figure FDA0001436108000000017
其中，Kp,Ki,Kd分别为比例项、积分项和微分项的增益矩阵，且满足
Figure FDA0001436108000000018
Kp>03×3。
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