CN111624878A - 自主式水面机器人轨迹跟踪的积分滑模获取方法及系统 - Google Patents

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CN111624878A CN202010399555.3A CN202010399555A CN111624878A CN 111624878 A CN111624878 A CN 111624878A CN 202010399555 A CN202010399555 A CN 202010399555A CN 111624878 A CN111624878 A CN 111624878A
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Abstract

本发明涉及自主式水面机器人控制技术领域,特别涉及自主式水面机器人轨迹跟踪的积分滑模获取方法及系统。包括建立含有外部干扰的自主式水面机器人以及被跟踪期望轨迹的运动学和动力学模型,然后引入辅助变量,将含有外部干扰的基于自主式水面机器人的模型转化为跟踪误差系统模型,设计积分滑模面和固定时间干扰观测器,基于干扰估计值设计自主式水面机器人的轨迹跟踪积分滑模控制方案;本方法可以有效降低外部干扰对自主式水面机器人的影响,实现精确控制,适用于自主式水面机器人的固定时间轨迹跟踪控制。

Description

自主式水面机器人轨迹跟踪的积分滑模获取方法及系统
技术领域
本发明涉及自主式水面机器人控制技术领域,特别涉及自主式水面机器人轨迹跟踪的积分滑模获取方法及系统。
背景技术
近年来,自主式水面机器人受到重视,自主式水面机器人是集控制装置、导航定位装置、自诊断和故障处理装置、测量装置和能源装置于一体的具有智能行为的机器人,其中控制装置是自主式水面机器人在水面进行作业的控制中心,是机器人控制的核心技术所在。但是,自主式水面机器人所处的水面环境存在众多的干扰因素,这些因素会影响控制装置对机器人做出正确的指令。因此,如何设计自主式水面机器人的控制方案,以消减外部干扰而不影响稳定性以及提高控制性能是非常重要的。
发明内容
针对现有技术存在的不足,本发明所要解决的技术问题是,针对带有外部干扰的自主式水面机器人系统,提供一种固定时间轨迹跟踪控制方法,消减了外部干扰因素,且轨迹跟踪性能良好的自主式水面机器人轨迹跟踪的积分滑模获取方法及系统。
本发明为实现上述目的采用的技术方案是:自主式水面机器人轨迹跟踪的积分滑模获取方法,包括以下步骤:
步骤1:建立含有外部干扰的自主式水面机器人以及被跟踪期望轨迹的运动学模型和动力学模型;
步骤2:引入辅助变量,把含有外部干扰的水面机器人模型和被跟踪期望轨迹的系统模型转化为自主式水面机器人的跟踪误差系统模型;
步骤3:设计积分滑模面和固定时间干扰观测器,得到基于固定时间干扰观测器的积分滑模控制器。
进一步的,所述步骤1的具体内容如下:
建立含有外部干扰的自主式水面机器人运动学模型和动力学模型
Figure BDA0002488908550000011
其中
Figure BDA0002488908550000012
表示自主水面机器人的位置和航行角,υ=[u,ν,r]T表示线速度和角速度,
Figure BDA0002488908550000013
为转动惯量矩阵,M为惯性矩阵,C(υ)为科里奥利和向心矩阵,D(υ)为阻尼矩阵,g(η,υ)为重力矩阵,τ(t)为控制输入,dl(t)为外部干扰,S(r)=[0-r 0;r 0 0;0 0 0];
建立被跟踪期望轨迹的运动学模型和动力学模型,
Figure BDA0002488908550000014
进一步的,所述步骤2的具体内容如下:
定义
Figure BDA0002488908550000021
系统(1.1)转化为如下的形式,
Figure BDA0002488908550000022
其中Θ(η,σ)=S(σ)σ-RM-1(C(RTσ)+D(RTσ))RTσ-RM-1(C(RTσ)+D(RTσ))RTσ;
定义
Figure BDA0002488908550000023
系统(1.2)转化为如下的形式,
Figure BDA0002488908550000024
其中
Figure BDA0002488908550000025
针对系统(1.3)和(1.4),建立自主式水面机器人的跟踪误差系统模型,
Figure BDA0002488908550000026
进一步的,所述步骤3的具体内容如下:
针对系统(1.5),设计如下积分滑模面,
Figure BDA0002488908550000027
其中
Figure BDA0002488908550000028
设计如下的固定时间干扰观测器
Figure BDA0002488908550000029
Figure BDA00024889085500000210
其中χ为辅助变量,
Figure BDA00024889085500000211
为dl(t)的估计,λ1i,λ2i,βi为观测器增益;
得到基于固定时间干扰观测器的积分滑模控制器
Figure BDA00024889085500000212
其中ξ1,ξ2为控制器增益。
进一步的,以自主式水面机器人系统为例来说明方法的具体实现,其步骤是:
建立含有外部干扰的自主式水面机器人运动学模型和动力学模型
Figure BDA00024889085500000213
其中
Figure BDA00024889085500000214
表示自主水面机器人的位置和航行角,υ=[u,ν,r]T表示线速度和角速度
Figure BDA00024889085500000215
为转动惯量矩阵,
Figure BDA00024889085500000216
为惯性矩阵,
Figure BDA0002488908550000031
为科里奥利和向心矩阵,
Figure BDA0002488908550000032
为阻尼矩阵,
Figure BDA0002488908550000033
为外部干扰,g(η,υ)=[0,0,0]T为重力矩阵,初始状态选取为η(0)=[2,1,π/2]T,υ(0)=[0,0,0]T
建立被跟踪期望轨迹的运动学模型和动力学模型,
Figure BDA0002488908550000034
其中期望控制输入
Figure BDA0002488908550000035
初始状态选取为ηd(0)=[1,2,π/4]T,vd(0)=[0,0,0]T
进一步的,以自主式水面机器人系统为例来说明方法的具体实现,其步骤是:
定义
Figure BDA0002488908550000036
系统(1.7)转化为如下的形式,
Figure BDA0002488908550000037
其中Θ(η,σ)=S(σ)σ-RM-1(C(RTσ)+D(RTσ))RTσ-RM-1(C(RTσ)+D(RTσ))RTσ;
定义
Figure BDA0002488908550000038
系统(1.8)转化为如下的形式,
Figure BDA0002488908550000039
其中
Figure BDA00024889085500000310
针对系统(1.3)和(1.4),建立自主式水面机器人的跟踪误差系统模型,
Figure BDA00024889085500000311
进一步的,以自主式水面机器人系统为例来说明方法的具体实现,其步骤是:
针对系统(1.5),设计如下积分滑模面,
Figure BDA00024889085500000312
其中un=5[ηe]0.5385+5[ηe]+5[ηe]1.9+5[σe]0.7+5[σe]+5[σe]1.1875
Figure BDA00024889085500000315
设计如下的固定时间干扰观测器
Figure BDA00024889085500000313
Figure BDA00024889085500000314
其中χ为辅助变量,
Figure BDA0002488908550000041
为dl(t)的估计,λ1i=λ2i=6,γ1=γ2=0.3,γ3=0.8,β1=9,β2=6,β3=3为观测器增益;
得到基于固定时间干扰观测器的积分滑模控制器
Figure BDA0002488908550000042
其中ξ1=ξ2=4为控制器增益,α=0.5,β=2。
本发明还包括自主式水面机器人轨迹跟踪的积分滑模获取系统,包括以下内容:
建立含有外部干扰的自主式水面机器人以及被跟踪期望轨迹的运动学模型和动力学模型建立单元;
引入辅助变量,把含有外部干扰的水面机器人模型和被跟踪期望轨迹的系统模型转化为自主式水面机器人的跟踪误差系统模型建立单元;
设计积分滑模面和固定时间干扰观测器,得到基于固定时间干扰观测器的积分滑模控制器建立单元。
本发明设计的一种基于固定时间干扰观测器的自主式水面机器人轨迹跟踪的积分滑模获取方法,针对一类含有外部干扰的自主式水面机器人系统,引入了积分滑模面并设计了固定时间干扰观测器,进一步给出了基于观测器的积分滑模控制策略;本发明设计的基于观测器的滑模获取方法可以消除外部干扰的影响,能够在有限时间内实现水下机器人的轨迹跟踪,极大的改善了水下机器人的控制性能。本方法可以有效消减自主式水面机器人的外部干扰,实现精确控制,适用于水面机器人的固定时间轨迹跟踪控制。
附图说明
图1为本发明实施例获取方法的设计流程图;
图2为本发明实施例获取系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明;
实施例1:
如图1所示,自主式水面机器人轨迹跟踪的积分滑模获取方法,包括以下步骤:
步骤100:建立含有外部干扰的自主式水面机器人以及被跟踪期望轨迹的运动学模型和动力学模型;
(1)建立含有外部干扰的自主式水面机器人运动学模型和动力学模型
Figure BDA0002488908550000043
其中
Figure BDA0002488908550000044
表示自主水面机器人的位置和航行角,υ=[u,ν,r]T表示线速度和角速度,
Figure BDA0002488908550000045
为转动惯量矩阵,M为惯性矩阵,C(υ)为科里奥利和向心矩阵,D(υ)为阻尼矩阵,g(η,υ)为重力矩阵,τ(t)为控制输入,dl(t)为外部干扰,S(r)=[0 -r 0;r 0 0;0 00];
(2)建立被跟踪期望轨迹的运动学模型和动力学模型,
Figure BDA0002488908550000051
步骤200:引入辅助变量,把含有外部干扰的水面机器人模型和被跟踪期望轨迹的系统模型转化为自主式水面机器人的跟踪误差系统模型;
定义
Figure BDA0002488908550000052
系统(1.1)转化为如下的形式,
Figure BDA0002488908550000053
其中Θ(η,σ)=S(σ)σ-RM-1(C(RTσ)+D(RTσ))RTσ-RM-1(C(RTσ)+D(RTσ))RTσ;
定义
Figure BDA0002488908550000054
系统(1.2)转化为如下的形式,
Figure BDA0002488908550000055
其中
Figure BDA0002488908550000056
针对系统(1.3)和(1.4),建立自主式水面机器人的跟踪误差系统模型,
Figure BDA0002488908550000057
步骤300:设计积分滑模面和固定时间干扰观测器,得到基于固定时间干扰观测器的积分滑模控制器。
针对系统(1.5),设计如下积分滑模面,
Figure BDA0002488908550000058
其中
Figure BDA0002488908550000059
设计如下的固定时间干扰观测器
Figure BDA00024889085500000510
Figure BDA00024889085500000511
其中χ为辅助变量,
Figure BDA00024889085500000512
为dl(t)的估计,λ1i,λ2i,βi为观测器增益;
得到基于固定时间干扰观测器的积分滑模控制器
Figure BDA00024889085500000513
其中ξ1,ξ2为控制器增益。
如图2所示,本发明还包括自主式水面机器人轨迹跟踪的积分滑模获取系统,包括以下内容:
10:建立含有外部干扰的自主式水面机器人以及被跟踪期望轨迹的运动学模型和动力学模型建立单元;
20:引入辅助变量,把含有外部干扰的水面机器人模型和被跟踪期望轨迹的系统模型转化为自主式水面机器人的跟踪误差系统模型建立单元;
30:设计积分滑模面和固定时间干扰观测器,得到基于固定时间干扰观测器的积分滑模控制器建立单元。
实施例2:
如图1所示,自主式水面机器人轨迹跟踪的积分滑模获取方法,以自主式水面机器人系统为例来说明方法的具体实现,其步骤是:
步骤100:建立含有外部干扰的自主式水面机器人以及被跟踪期望轨迹的运动学模型和动力学模型;
(1)建立含有外部干扰的自主式水面机器人运动学模型和动力学模型
Figure BDA0002488908550000061
其中
Figure BDA0002488908550000062
表示自主水面机器人的位置和航行角,υ=[u,ν,r]T表示线速度和角速度
Figure BDA0002488908550000063
为转动惯量矩阵,
Figure BDA0002488908550000064
为惯性矩阵,
Figure BDA0002488908550000065
为科里奥利和向心矩阵,
Figure BDA0002488908550000066
为阻尼矩阵,
Figure BDA0002488908550000067
为外部干扰,g(η,υ)=[0,0,0]T为重力矩阵,初始状态选取为η(0)=[2,1,π/2]T,υ(0)=[0,0,0]T
(2)建立被跟踪期望轨迹的运动学模型和动力学模型,
Figure BDA0002488908550000068
其中期望控制输入
Figure BDA0002488908550000069
初始状态选取为ηd(0)=[1,2,π/4]T,vd(0)=[0,0,0]T
步骤200:引入辅助变量,把含有外部干扰的水面机器人模型和被跟踪期望轨迹的系统模型转化为自主式水面机器人的跟踪误差系统模型;
定义
Figure BDA00024889085500000610
系统(1.7)转化为如下的形式,
Figure BDA0002488908550000071
其中Θ(η,σ)=S(σ)σ-RM-1(C(RTσ)+D(RTσ))RTσ-RM-1(C(RTσ)+D(RTσ))RTσ;
定义
Figure BDA0002488908550000072
系统(1.8)转化为如下的形式,
Figure BDA0002488908550000073
其中
Figure BDA0002488908550000074
针对系统(1.3)和(1.4),建立自主式水面机器人的跟踪误差系统模型,
Figure BDA0002488908550000075
步骤300:设计积分滑模面和固定时间干扰观测器,得到基于固定时间干扰观测器的积分滑模控制器。
针对系统(1.5),设计如下积分滑模面,
Figure BDA0002488908550000076
其中un=5[ηe]0.5385+5[ηe]+5[ηe]1.9+5[σe]0.7+5[σe]+5[σe]1.1875
Figure BDA00024889085500000711
设计如下的固定时间干扰观测器,
Figure BDA0002488908550000077
Figure BDA0002488908550000078
其中χ为辅助变量,
Figure BDA0002488908550000079
为dl(t)的估计,λ1i=λ2i=6,γ1=γ2=0.3,γ3=0.8,β1=9,β2=6,β3=3为观测器增益;
得到基于固定时间干扰观测器的积分滑模控制器
Figure BDA00024889085500000710
其中ξ1=ξ2=4为控制器增益,α=0.5,β=2。
如图2所示,本发明还包括自主式水面机器人轨迹跟踪的积分滑模获取系统,包括以下内容:
10:建立含有外部干扰的自主式水面机器人以及被跟踪期望轨迹的运动学模型和动力学模型建立单元;
20:引入辅助变量,把含有外部干扰的水面机器人模型和被跟踪期望轨迹的系统模型转化为自主式水面机器人的跟踪误差系统模型建立单元;
30:设计积分滑模面和固定时间干扰观测器,得到基于固定时间干扰观测器的积分滑模控制器建立单元。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点,其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施,并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.自主式水面机器人轨迹跟踪的积分滑模获取方法,其特征在于:包括以下步骤:
步骤1:建立含有外部干扰的自主式水面机器人以及被跟踪期望轨迹的运动学模型和动力学模型;
步骤2:引入辅助变量,把含有外部干扰的水面机器人模型和被跟踪期望轨迹的系统模型转化为自主式水面机器人的跟踪误差系统模型;
步骤3:设计积分滑模面和固定时间干扰观测器,得到基于固定时间干扰观测器的积分滑模控制器。
2.根据权利要求1所述的自主式水面机器人轨迹跟踪的积分滑模获取方法,其特征是,所述步骤1的具体内容如下:
建立含有外部干扰的自主式水面机器人运动学模型和动力学模型
Figure FDA0002488908540000011
其中
Figure FDA0002488908540000012
表示自主水面机器人的位置和航行角,υ=[u,ν,r]T表示线速度和角速度,
Figure FDA0002488908540000013
为转动惯量矩阵,M为惯性矩阵,C(υ)为科里奥利和向心矩阵,D(υ)为阻尼矩阵,g(η,υ)为重力矩阵,τ(t)为控制输入,dl(t)为外部干扰,S(r)=[0-r 0;r 0 0;0 0 0];
建立被跟踪期望轨迹的运动学模型和动力学模型,
Figure FDA0002488908540000014
3.根据权利要求2所述的自主式水面机器人轨迹跟踪的积分滑模获取方法,其特征是:所述步骤2的具体内容如下:
定义
Figure FDA0002488908540000015
系统(1.1)转化为如下的形式,
Figure FDA0002488908540000016
其中Θ(η,σ)=S(σ)σ-RM-1(C(RTσ)+D(RTσ))RTσ-RM-1(C(RTσ)+D(RTσ))RTσ;
定义
Figure FDA0002488908540000017
系统(1.2)转化为如下的形式,
Figure FDA0002488908540000018
其中
Figure FDA0002488908540000019
针对系统(1.3)和(1.4),建立自主式水面机器人的跟踪误差系统模型,
Figure FDA00024889085400000110
4.根据权利要求3所述的自主式水面机器人轨迹跟踪的积分滑模获取方法,其特征是:所述步骤3的具体内容如下:
针对系统(15),设计如下积分滑模面,
Figure FDA00024889085400000111
其中
Figure FDA00024889085400000112
设计如下的固定时间干扰观测器
χ0=σ-χ
Figure FDA0002488908540000021
Figure FDA0002488908540000022
其中χ为辅助变量,
Figure FDA0002488908540000023
为dl(t)的估计,λ1i,λ2i,βi为观测器增益;
得到基于固定时间干扰观测器的积分滑模控制器
Figure FDA0002488908540000024
其中ξ1,ξ2为控制器增益。
5.根据权利要求1所述的自主式水面机器人轨迹跟踪的积分滑模获取方法,其特征是:以自主式水面机器人系统为例来说明方法的具体实现,其步骤是:
建立含有外部干扰的自主式水面机器人运动学模型和动力学模型
Figure FDA0002488908540000025
其中
Figure FDA0002488908540000026
表示自主水面机器人的位置和航行角,υ=[u,ν,r]T表示线速度和角速度
Figure FDA0002488908540000027
为转动惯量矩阵,
Figure FDA0002488908540000028
为惯性矩阵,
Figure FDA0002488908540000029
为科里奥利和向心矩阵,
Figure FDA00024889085400000210
为阻尼矩阵,
Figure FDA00024889085400000211
为外部干扰,g(η,υ)=[0,0,0]T为重力矩阵,初始状态选取为η(0)=[2,1,π/2]T,υ(0)=[0,0,0]T
建立被跟踪期望轨迹的运动学模型和动力学模型,
Figure FDA00024889085400000212
其中期望控制输入
Figure FDA00024889085400000213
初始状态选取为ηd(0)=[1,2,π/4]T,υd(0)=[0,0,0]T
6.根据权利要求5所述的自主式水面机器人轨迹跟踪的积分滑模获取方法,其特征是:以自主式水面机器人系统为例来说明方法的具体实现,其步骤是:
定义
Figure FDA0002488908540000031
系统(1.7)转化为如下的形式,
Figure FDA0002488908540000032
其中Θ(η,σ)=S(σ)σ-RM-1(C(RTσ)+D(RTσ))RTσ-RM-1(C(RTσ)+D(RTσ))RTσ;
定义
Figure FDA0002488908540000033
系统(1.8)转化为如下的形式,
Figure FDA0002488908540000034
其中
Figure FDA0002488908540000035
针对系统(1.3)和(1.4),建立自主式水面机器人的跟踪误差系统模型,
Figure FDA0002488908540000036
7.根据权利要求6所述的自主式水面机器人轨迹跟踪的积分滑模获取方法,其特征是:以自主式水面机器人系统为例来说明方法的具体实现,其步骤是:
针对系统(1.5),设计如下积分滑模面,
Figure FDA0002488908540000037
其中un=5[ηe]0.5385+5[ηe]+5[ηe]1.9+5[σe]0.7+5[σe]+5[σe]1.1875
Figure FDA0002488908540000038
设计如下的固定时间干扰观测器
χ0=σ-χ,
Figure FDA0002488908540000039
Figure FDA00024889085400000310
其中χ为辅助变量,
Figure FDA00024889085400000311
为dl(t)的估计,λ1i=λ2i=6,γ1=γ2=0.3,γ3=0.8,β1=9,β2=6,β3=3为观测器增益;
得到基于固定时间干扰观测器的积分滑模控制器
Figure FDA00024889085400000312
其中ξ1=ξ2=4为控制器增益,α=0.5,β=2。
8.自主式水面机器人轨迹跟踪的积分滑模获取系统,其特征在于:根据权利要求1-7任一项所述的方法获取,包括以下内容:
建立含有外部干扰的自主式水面机器人以及被跟踪期望轨迹的运动学模型和动力学模型建立单元;
引入辅助变量,把含有外部干扰的水面机器人模型和被跟踪期望轨迹的系统模型转化为自主式水面机器人的跟踪误差系统模型建立单元;
设计积分滑模面和固定时间干扰观测器,得到基于固定时间干扰观测器的积分滑模控制器建立单元。
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