CN115509241A - 水下机器人轨迹跟踪控制方法及装置 - Google Patents

水下机器人轨迹跟踪控制方法及装置 Download PDF

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CN115509241A CN202110690989.3A CN202110690989A CN115509241A CN 115509241 A CN115509241 A CN 115509241A CN 202110690989 A CN202110690989 A CN 202110690989A CN 115509241 A CN115509241 A CN 115509241A
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周文迪
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Abstract

本发明提供一种水下机器人轨迹跟踪控制方法及装置，该方法包括：根据滑模控制方法，基于水下机器人的操作杆上一时刻的活动角度的目标值和实际值，以及水下机器人上一时刻的干扰力的观测值，确定水下机器人的操作杆当前时刻的控制信号；在当前时刻的控制信号对应的轨迹误差的估计值不大于目标阈值的情况下，根据自抗扰控制方法，基于水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的目标值，以及水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的跟踪信号的观测值、跟踪信号的微分信号的观测值和水下机器人当前时刻的干扰力的观测值，确定水下机器人的操作杆下一时刻的控制信号。本发明提供的水下机器人轨迹跟踪控制方法及装置能避免滑模控制的抖振现象。

Description

水下机器人轨迹跟踪控制方法及装置
技术领域
本发明涉及水下机器人控制技术领域，尤其涉及一种水下机器人轨迹跟踪控制方法及装置。
背景技术
随着现代技术的发展，人们开始使用水下的智能机器人(AUV)来代替人类潜入海底完成操作作业。运动控制是机器人在水下进行操作的基础，但水下环境复杂多变，因此对于其控制的精度以及稳定性都有很高的要求，现有的方案主要是采用滑模控制、模糊控制以及基于神经网络的方法。
滑模控制是目前所广泛接受并使用的方法，其结构简单，具有良好的瞬态性能和快速响应。模糊控制是一种逻辑控制方法，以模糊集合论和模糊逻辑推理为基础，适用于难以建模的对象，控制简单，抗干扰能力强。基于神经网络的方法是现在流行的一种解决方法，但只能通过实验结论论证。三种方法对水下操作机器人控制无法同时兼顾精度和稳定性。
发明内容
本发明提供一种水下机器人轨迹跟踪控制方法及装置，用以解决现有技术中无法同时兼顾精度和稳定性的缺陷，实现避免滑模控制的抖振现象的发生，同时提高水下操作机器人控制的精度和稳定性。
本发明提供一种水下机器人轨迹跟踪控制方法，包括：
根据滑模控制方法，基于水下机器人的操作杆上一时刻的活动角度的目标值和实际值，以及所述水下机器人上一时刻的干扰力的观测值，确定所述水下机器人的操作杆当前时刻的控制信号；
在所述当前时刻的控制信号对应的轨迹误差的估计值不大于目标阈值的情况下，根据自抗扰控制方法，基于所述水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的目标值，以及所述水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的跟踪信号的观测值、跟踪信号的微分信号的观测值和所述水下机器人当前时刻的干扰力的观测值，确定所述水下机器人的操作杆下一时刻的控制信号。
根据本发明提供一种的水下机器人轨迹跟踪控制方法，所述根据滑模控制方法，基于水下机器人的操作杆上一时刻的活动角度的目标值和实际值，以及所述水下机器人上一时刻的干扰力的观测值，确定所述水下机器人的操作杆当前时刻的控制信号之后，所述方法还包括：
在所述当前时刻的控制信号对应的轨迹误差的估计值大于所述目标阈值的情况下，根据滑模控制方法，基于水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的目标值和实际值，以及所述水下机器人当前时刻的干扰力的观测值，确定所述水下机器人的操作杆下一时刻的控制信号。
根据本发明提供的一种水下机器人轨迹跟踪控制方法，所述水下机器人上一时刻的干扰力的观测值，基于扩展状态控制器获得的。
根据本发明提供的一种水下机器人轨迹跟踪控制方法，所述水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的跟踪信号的观测值、跟踪信号的微分信号的观测值和所述水下机器人当前时刻的干扰力的观测值，是基于所述扩展状态控制器获得的。
根据本发明提供的一种水下机器人轨迹跟踪控制方法，所述根据滑模控制方法，基于水下机器人的操作杆上一时刻的活动角度的目标值和实际值，以及所述水下机器人上一时刻的干扰力的观测值，确定所述水下机器人的操作杆当前时刻的控制信号，具体包括：
Figure BDA0003126720990000031
其中，u1(t)为所述水下机器人的操作杆当前时刻的控制信号，
Figure BDA0003126720990000032
为所述水下机器人的操作杆上一时刻的活动角度的实际值对应的角速度矢量，
Figure BDA0003126720990000033
为所述水下机器人的操作杆上一时刻的活动角度的目标值对应的角速度矢量，
Figure BDA0003126720990000034
为所述水下机器人的操作杆上一时刻的活动角度的目标值对应的角加速度，
Figure BDA0003126720990000035
为所述水下机器人上一时刻的干扰力的观测值，A是对称正定惯量的逆矩阵，B是对称正定惯量的逆矩阵与由离心力和哥氏力组成的向量的乘积，kf为切换增益系数。
根据本发明提供的一种水下机器人轨迹跟踪控制方法，所述根据自抗扰控制方法，基于所述水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的目标值，以及所述水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的跟踪信号的观测值、跟踪信号的微分信号的观测值和所述水下机器人当前时刻的干扰力的观测值，确定所述水下机器人的操作杆下一时刻的控制信号，具体包括：
u2(t)＝kpfal((x1-Z1)，α1，δ)+kdfal((x2-Z2),α2,δ)
其中，u2(t)为所述水下机器人的操作杆下一时刻的控制信号，kp和kd分别为增益系数，x1为所述水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的跟踪信号，Z1为所述水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的跟踪信号的观测值，x2为所述水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的跟踪信号的微分信号，Z2为所述水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的跟踪信号的微分信号的观测值，α1和α2为非线性参数，δ为线性段的区间长度。
本发明还提供一种水下机器人轨迹跟踪控制装置，包括：
滑模控制模块，用于根据滑模控制方法，基于水下机器人的操作杆上一时刻的活动角度的目标值和实际值，以及所述水下机器人上一时刻的干扰力的观测值，确定所述水下机器人的操作杆当前时刻的控制信号；
自抗扰控制模块，用于在所述当前时刻的控制信号对应的轨迹误差的估计值不大于目标阈值的情况下，根据自抗扰控制方法，基于所述水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的目标值，以及所述水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的跟踪信号的观测值、跟踪信号的微分信号的观测值和所述水下机器人当前时刻的干扰力的观测值，确定所述水下机器人的操作杆下一时刻的控制信号。
根据本发明提供的一种水下机器人轨迹跟踪控制装置，所述装置还包括：
所述滑模控制模块，还用于在所述当前时刻的控制信号对应的轨迹误差的估计值大于所述目标阈值的情况下，根据滑模控制方法，基于水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的目标值和实际值，以及所述水下机器人当前时刻的干扰力的观测值，确定所述水下机器人的操作杆下一时刻的控制信号。
本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述水下机器人轨迹跟踪控制方法的步骤。
本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述水下机器人轨迹跟踪控制方法的步骤。
本发明提供的水下机器人轨迹跟踪控制方法及装置，基于扩展状态观测器估计控制律中存在的总干扰力的观测值，并反馈回滑模控制中使其迅速到达滑模面，获取水下机器人的操作杆当前时刻的控制信号。当其对应的轨迹误差趋近于预先设定的目标阈值时，再切换至自抗扰控制确定水下机器人的操作杆下一时刻的控制信号。进而，通过滑模控制良好的瞬态性能能够快速使控制状态达到滑模面附近后，在这种趋于稳定的情况下，立即切换至自抗扰控制对轨迹进行跟踪，能够避免滑模控制的抖振现象的发生，并且提高水下操作机器人控制的精度和稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的水下机器人轨迹跟踪控制方法的流程示意图；
图2是本发明提供的水下机器人轨迹跟踪控制方法的示意图；
图3是本发明提供的水下机器人轨迹跟踪控制方法的流程示意图；
图4是本发明提供的水下机器人轨迹跟踪控制装置的结构示意图；
图5是本发明提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
滑模控制(Sliding Mode Control，SMC)是一类特殊的非线性控制，且非线性表现为控制的不连续性。这种控制策略在动态过程中，根据系统当前的状态(如偏差及其各阶导数等)有目的地不断变化，迫使系统按照预定“滑动模态”的状态轨迹运动。滑模控制是目前所广泛接受并使用的方法，其结构简单，具有良好的瞬态性能和快速响应。然而，滑模控制有一个很大的弊端，当控制状态达到滑模面附近时，会发生抖振现象，不仅会对机械部件造成严重损坏，而且严重影响控制的精度。
自抗扰控制(Active Disturbance Rejection Control，ADRC)继承了经典PID控制器的精华，对被控对象的数学模型几乎没有任何要求，是一种不依赖模型的控制方法。自抗扰控制器主要由三部分组成：跟踪微分器(tracking differentiator)，扩展状态观测器(extended state observer)和非线性状态误差反馈控制律(nonlinear state errorfeedback law)。但是，相比滑模控制，自抗扰控制收敛速度比较慢，但在稳定后具有很高的跟踪精度。
图1是本发明提供的水下机器人轨迹跟踪控制方法的流程示意图。如图1所示，本发明实施例提供的水下机器人轨迹跟踪控制方法，包括：步骤101、根据滑模控制方法，基于水下机器人的操作杆上一时刻的活动角度的目标值和实际值，以及水下机器人上一时刻的干扰力的观测值，确定水下机器人的操作杆当前时刻的控制信号。
需要说明的是，水下机器人是指自治水下机器人(Autonomous UnderwaterVehicle，AUV)，是典型的强非线性、时变性的高度耦合的动力系统，其水动力系数通常很难准确测定或者估计。
本发明实施例提供的水下机器人轨迹跟踪控制方法的执行主体是水下机器人轨迹跟踪控制装置，其主要控制对象为水下机器人末端执行器。
优选地，控制对象可以是水下机器人的操作臂，在不同时刻，通过给予水下操作机器人操作臂不同的运动角度，控制水下机器人执行不同的作业状态。
需要说明的是，水下机器人干扰力的观测值是指，使用自抗扰控制中的扩展状态观测器(ESO)，将水下机器人内部非线性因素和外部干扰视为要观测的扩展状态，用于估计控制律中存在的总扰动。其中，水下机器人干扰力包括机械连杆、组件之间的内部摩擦力，以及受到水动力与流体动力等外部的非线性时变干扰力。
水下机器人上一时刻的干扰力的观测值是指，在上一时刻运动中产生的水动力以及水流产生的流体动力等外界环境施加的干扰力以及机器人系统内部产生的一些非线性的摩擦力之和。这些干扰对预测下一时刻操作的精度具有严重的干扰，在执行精细化操作任务时，需要补偿这一部分干扰，降低操作误差。
具体地，水下机器人轨迹跟踪控制装置根据滑模控制方法的控制策略，可以基于水下机器人的操作杆各时刻的活动角度的目标值和实际值设计滑模控制律，将上一时刻的活动角度的目标值和实际值，以及由扩展状态观测器中获取到的水下机器人上一时刻的干扰力的观测值作为输入值，反馈到设计好的控制律中进行补偿，能够获得水下机器人的操作杆当前时刻的控制信号。
水下机器人的操作杆当前时刻的控制信号，用以根据当前时刻的控制信号驱动水下机器人的操作杆扭矩，使水下机器人的操作杆在当前时刻以对应的活动角度执行操作，即为当前时刻的活动角度的实际值，并依此预测水下机器人的操作杆下一时刻的控制信号。
步骤102、在当前时刻的控制信号对应的轨迹误差的估计值不大于目标阈值的情况下，根据自抗扰控制方法的控制策略，可以基于水下机器人的操作杆各时刻的活动角度的目标值和其他相关信息设计非线性状态误差反馈控制律，将水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的目标值，以及水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的跟踪信号的观测值、跟踪信号的微分信号的观测值和水下机器人当前时刻的干扰力的观测值作为输入，确定水下机器人的操作杆下一时刻的控制信号。
需要说明的是，轨迹误差是指，在任一时刻下，水下机器人的操作杆活动角度的目标值和实际值的差值。由于活动角度是一个预估值，所以获取到的轨迹误差并不是其真实的绝对误差，仅是一个轨迹误差的估计值。
目标阈值是指，水下机器人轨迹跟踪控制方法的切换阈值，用于在水下机器人实际轨迹与理想轨迹的误差小于或者等于该切换阈值的情况下，将步骤101中使用的滑模控制方法切换至自抗扰控制方法进行下一时刻控制信号的预测。
其中，本发明实施例对目标阈值的取值不作具体限定，优选地，目标阈值为一个较小的数值。
具体地，水下机器人轨迹跟踪控制装置根据当前时刻的控制信号，可以得到该控制信号对应的活动角度的实际值，进而获取到当前时刻的轨迹误差的估计值。将对应的轨迹误差的估计值与预先设置目标阈值进行数值对比，其对比结果有两种：对比合格和对比不合格。
其中，若获知其对比结果是对比合格，即为对应的轨迹误差的估计值小于或者等于预先设置目标阈值的情况。水下机器人轨迹跟踪控制装置根据自抗扰控制方法的控制策略，可以设计微分跟踪器和扩展状态观测器，并以水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的目标值作为输入，结合由微分跟踪器获取到的水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的跟踪信号的观测值和跟踪信号的微分信号的观测值，以及由扩展状态观测器获取到的水下机器人当前时刻的干扰力的观测值，能够得到水下机器人的操作杆下一时刻的控制信号。
图2是本发明提供的水下机器人轨迹跟踪控制方法的示意图。如图2所示，水下机器人的操作杆下一时刻的控制信号，用以根据预测到的下一时刻的控制信号驱动水下机器人的操作杆扭矩，使水下机器人的操作杆在下一时刻以对应的活动角度执行操作，即为下一时刻的活动角度的实际值。其中，下一时刻的活动角度的实际值对应的控制状态在接近滑模面的虚线内(即当前控制信号对应的轨迹误差的估计值不大于目标阈值的情况)，可以直接将下一时刻的活动角度的实际值作为操作杆的最终执行状态，也可以通过执行多次的自抗扰控制使其到达滑模面后，再获取的操作杆活动角度作为最终的执行状态，本发明实施例对自抗扰控制的执行次数不作具体限定。
本发明实施例基于扩展状态观测器估计控制律中存在的总干扰力的观测值，并反馈回滑模控制中使其迅速到达滑模面，获取水下机器人的操作杆当前时刻的控制信号。当其对应的轨迹误差趋近于预先设定的目标阈值时，再切换至自抗扰控制确定水下机器人的操作杆下一时刻的控制信号。进而，通过滑模控制良好的瞬态性能能够快速使控制状态达到滑模面附近后，在这种趋于稳定的情况下，立即切换至自抗扰控制对轨迹进行跟踪，能够避免滑模控制的抖振现象的发生，并且提高水下操作机器人控制的精度和稳定性。
在上述任一实施例的基础上，根据滑模控制方法，基于水下机器人的操作杆上一时刻的活动角度的目标值和实际值，以及水下机器人上一时刻的干扰力的观测值，确定水下机器人的操作杆当前时刻的控制信号之后，方法还包括：在当前时刻的控制信号对应的轨迹误差的估计值大于目标阈值的情况下，根据滑模控制方法，基于水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的目标值和实际值，以及水下机器人当前时刻的干扰力的观测值，确定水下机器人的操作杆下一时刻的控制信号。
需要说明的是，若获知对比结果是对比不合格，即为对应的轨迹误差的估计值大于预先设置目标阈值的情况。则说明当前的控制状态还未达到滑模面附近，由于自抗扰控制收敛速度缓慢，所以需要再利用滑模控制方法对下一时刻的控制信号进行预测。
当前时刻的活动角度的目标值是根据水下机器人的操作流程预先设定的，当前时刻的活动角度的实际值是通过步骤101得到的水下机器人的操作杆当前时刻的控制信号获取的。
具体地，若获知步骤102中的对比结果是对比不合格，即为对应的轨迹误差的估计值大于预先设置目标阈值的情况。水下机器人轨迹跟踪控制装置根据滑模控制方法的控制策略，可以基于水下机器人的操作杆各个时刻的活动角度的目标值和实际值设计滑模控制律，将水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的目标值和实际值，以及由扩展状态观测器中获取到的水下机器人当前时刻的干扰力的观测值作为输入值，反馈到设计好的控制律中进行补偿，能够获得水下机器人的操作杆下一时刻的控制信号。
水下机器人的操作杆下一时刻的控制信号，用以根据预测到的下一时刻的控制信号驱动水下机器人的操作杆扭矩，使水下机器人的操作杆在下一时刻以对应的活动角度执行操作，即为下一时刻的活动角度的实际值。其中，若当前控制信号对应的轨迹误差的估计值仍大于目标阈值，则还需要再次执行滑模控制，使下一次控制信号对应的轨迹误差小于或者等于目标阈值，以执行自抗扰控制进行轨迹跟踪。若当前控制信号对应的轨迹误差的估计值已经小于或等于目标阈值，则直接执行自抗扰控制进行轨迹跟踪。
本发明实施例基于扩展状态观测器的滑模控制对轨迹进行迅速跟踪，可以获得水下机器人的操作杆下一时刻的控制信号，能够使该控制信号对应的控制状态迅速趋近于滑模面。进而，当控制状态接近滑模面之后，立即切换至自抗扰控制进行轨迹跟踪，避免滑模控制的抖振现象的发生，同时提高水下操作机器人控制的精度和稳定性。
在上述任一实施例的基础上，水下机器人上一时刻的干扰力的观测值，基于扩展状态控制器获得的。
需要说明的是，本发明实施例将水下机器人内部非线性干扰力和外部环境施加的干扰力视为要观测的扩展状态，用于估计控制律中存在的总扰动。
具体地，在步骤101中，水下机器人轨迹跟踪控制装置接收来自自抗扰控制中的扩展状态观测器中获取到的水下机器人上一时刻的干扰力的观测值，本发明实施例对扩展状态观测器的设计不作具体限定。
本发明实施例利用基于扩展状态观测器的滑模控制对轨迹进行迅速跟踪，进而，在接近滑模面时切换至自抗扰控制进行轨迹跟踪。其中，自抗扰控制部分的扩展状态观测器同时应用于滑模控制中，不仅提高水下操作机器人控制的精度和稳定性，同时使得算法在切换时具有一定平滑性。
图3是本发明提供的水下机器人轨迹跟踪控制方法的流程示意图。如图3所示，在上述任一实施例的基础上，水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的跟踪信号的观测值、跟踪信号的微分信号的观测值和水下机器人当前时刻的干扰力的观测值，是基于扩展状态控制器获得的。
需要说明的是，在自抗扰控制中的扩展状态观测器获取水下机器人当前时刻的干扰力的观测值之前，先根据自抗扰控制中的微分控制器获取水下机器人的操作杆活动角度的目标值的跟踪信号和跟踪信号的微分信号。
具体地，在步骤102中，水下机器人轨迹跟踪控制装置接收来自自抗扰控制中的扩展状态观测器中获取到的水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的跟踪信号的观测值、跟踪信号的微分信号的观测值和水下机器人当前时刻的干扰力的观测值。
水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的跟踪信号的观测值和跟踪信号的微分信号的观测值会结合微分控制器获取的水下机器人的操作杆活动角度的目标值的跟踪信号和跟踪信号的微分信号进行运算。
水下机器人当前时刻的干扰力的观测值，用于进入滑模控制律或者是非线性状态误差控制律中补偿由机器人内部非线性因素和外部环境因素产生的干扰。
本发明实施例对自抗扰控制中各部分的设计不作具体限定。
优选地，设计微分跟踪器的具体实施方式为：
Figure BDA0003126720990000121
其中，qd是水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的目标值，x1为水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的目标值的跟踪信号，x2为水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的目标值的跟踪信号的微分信号，h为时间步长，fhan(x1,x2，r，h)为最速综合函数的运算符，可以表达为：
Figure BDA0003126720990000122
设计扩展状态观测器的具体实施方式为：
Figure BDA0003126720990000123
其中，E是扩展状态观测器的估计误差，q为水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的实际值(单位为：rad)，β1、β2和β3是扩展状态观测器的增益，观测器的输出Z1为水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的跟踪信号的观测值，Z2为水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的跟踪信号的微分信号的观测值，Z3为水下机器人当前时刻的干扰力的观测值，
Figure BDA0003126720990000131
为水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的跟踪信号的观测值的一阶导数，
Figure BDA0003126720990000132
为水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的跟踪信号的微分信号的观测值的一阶导数，
Figure BDA0003126720990000133
为水下机器人当前时刻的干扰力的观测值的一阶导数，fal(E,α,δ)是一种获取干扰力的观测值的运算符，可以表示为：
Figure BDA0003126720990000134
其中，E是扩展状态观测器的估计误差，α非线性参数，取值为0＜α＜1，δ为线性段的区间长度，取值为δ＞0。
对于非线性参数α，其取值范围是(0，1)，根据经验公式可以确定参数大致范围，然后选择合适的非线性参数值。对于线性段的区间长度δ，为扩展状态观测器基础理论中，定义的fal(E，α，δ)运算符中的固定参数，一般在线性估计时，常取δ＝1/T，在非线性估计时，常使用试凑法，可在线性估计的基础上进行处理，常取δ＝1/2T，T为采样周期。
其中，本发明实施例对α和δ的取值不作具体限定，但只要β1、β2和β3以及α取值合适，观测器的输出Z3将趋近于水下机器人在操作时产生的水动力、水流产生的流体动力等外界的干扰力，以及机器人系统内部摩擦力等非线性扰动之和，可以使得Z1趋近于qd。
优选地，非线性参数α取值为0.25，线性段的区间长度δ的取值接近0。
本发明实施例利用基于扩展状态观测器的滑模控制对轨迹进行迅速跟踪，进而，在接近滑模面时切换至自抗扰控制进行轨迹跟踪。其中，自抗扰控制部分的扩展状态观测器同时应用于滑模控制中，不仅提高水下操作机器人控制的精度和稳定性，同时使得算法在切换时具有一定平滑性。
在上述任一实施例的基础上，根据滑模控制方法，基于水下机器人的操作杆上一时刻的活动角度的目标值和实际值，以及水下机器人上一时刻的干扰力的观测值，确定水下机器人的操作杆当前时刻的控制信号，具体包括：
Figure BDA0003126720990000141
其中，u1(t)为水下机器人的操作杆当前时刻的控制信号，
Figure BDA0003126720990000142
为水下机器人的操作杆上一时刻的活动角度的实际值对应的角速度矢量，
Figure BDA0003126720990000143
为水下机器人的操作杆上一时刻的活动角度的目标值对应的角速度矢量，
Figure BDA0003126720990000144
为水下机器人的操作杆上一时刻的活动角度的目标值对应的角加速度，
Figure BDA0003126720990000145
为水下机器人上一时刻的干扰力的观测值，A是对称正定惯量的逆矩阵，B是对称正定惯量的逆矩阵与由离心力和哥氏力组成的向量的乘积，kf为切换增益系数。
具体地，在步骤101中，水下机器人轨迹跟踪控制装置根据滑模控制方法的控制策略，可以基于水下机器人的操作杆各时刻的活动角度的目标值和实际值设计滑模控制律，本发明实施例对滑模控制律的设计不作具体限定。
优选地，设计滑模控制律的具体实施方式可以为：
定义机器人水下的操作轨迹误差为：
e(t)＝qd(t)-q(t)
其中，e(t)为水下机器人的操作杆各个时刻的轨迹误差，qd(t)为水下机器人的操作杆各个时刻的活动角度的目标值，q(t)为水下机器人的操作杆各个时刻的活动角度的实际值。
滑模表面定义为：
Figure BDA0003126720990000146
其中，S(t)为水下机器人的操作杆各个时刻的滑模面，e(t)为水下机器人的操作杆各个时刻的轨迹误差，
Figure BDA0003126720990000151
为水下机器人的操作杆各个时刻的轨迹误差的一阶导数，λ为线性系数。
根据操作轨迹的运行误差设计滑模控制律，输出的控制信号可以表示为：
Figure BDA0003126720990000152
其中，u1(t)为水下机器人的操作杆当前时刻的控制信号，
Figure BDA0003126720990000153
为水下机器人的操作杆上一时刻的活动角度的实际值对应的角速度矢量(单位为：rad/s)，
Figure BDA0003126720990000154
为水下机器人的操作杆上一时刻的活动角度的目标值对应的角速度矢量，
Figure BDA0003126720990000155
为水下机器人的操作杆上一时刻的活动角度的目标值对应的角加速度(单位为：rad/s2)，
Figure BDA0003126720990000156
为水下机器人上一时刻的干扰力的观测值，A表示为A＝M-1(q)，是对称正定惯量矩阵M(q)的逆矩阵，其中对称正定惯量矩阵M(q)是根据机器人连杆的实际取值(包括质量、长度、质心与轴心距离)得到其转动惯量得到的。B表示为
Figure BDA0003126720990000157
是对称正定惯量矩阵M(q)的逆矩阵与由离心力和哥氏力组成的向量的乘积，kf为切换增益系数，sgn(s)是运算符，可以表示为：
Figure BDA0003126720990000158
本发明实施例基于滑模控制率中的变量项kfsns(s)会使状态轨迹频繁穿越s＝0平面，产生抖动现象。所以，在初始阶段利用基于扩展状态观测器的滑模控制对轨迹进行迅速跟踪，使控制状态快速趋近于滑模面，提高水下操作机器人控制的精度和稳定性，同时提升控制速率。
在上述任一实施例的基础上，根据自抗扰控制方法，基于水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的目标值，以及水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的跟踪信号的观测值、跟踪信号的微分信号的观测值和水下机器人当前时刻的干扰力的观测值，确定水下机器人的操作杆下一时刻的控制信号，具体包括：
u2(t)＝kpfal((x1-Z1)，α1，δ)+kdfal((x2-Z2)，α2，δ)
其中，u2(t)为水下机器人的操作杆下一时刻的控制信号，kp和kd分别为增益系数，Z1为水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的跟踪信号的观测值，Z2为水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的跟踪信号的微分信号的观测值，α1和α2为非线性参数，δ为线性段的区间长度。
具体地，在步骤102中，在当前控制信号对应的轨迹误差的估计值不大于目标阈值的情况下(即轨迹已经收敛至滑模面附近)，水下机器人轨迹跟踪控制装置根据自抗扰控制方法的控制策略，可以基于水下机器人的操作杆各时刻的活动角度的目标值设计滑模控制律和其他相关信息设计非线性状态误差反馈控制律，本发明实施例对非线性状态误差反馈控制律的设计不作具体限定。
优选地，设计非线性状态误差反馈控制律的具体实施方式可以为：
采用PD控制，输出的控制信号可以表示为：
u2(t)＝kpfal((x1-Z1)，α1，δ)+kdfal((x2-Z2),α2,δ)
其中，u2(t)为水下机器人的操作杆下一时刻的控制信号，kp和kd分别PD控制器的为增益系数，x1为由微分跟踪器获取到的所述水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的跟踪信号，Z1为水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的跟踪信号的观测值，x2为由微分跟踪器获取到的所述水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的跟踪信号的微分信号，Z2为水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的跟踪信号的微分信号的观测值，α1和α2为非线性参数，δ为线性段的区间长度。
优选地，非线性参数α1和α2均为0.25，线性段的区间长度β取值接近0。
本发明实施例基于预先的切换阈值，在到控制轨迹达滑模面之前，切换至自抗扰控制进行轨迹跟踪，从根本上避免了滑模控制的抖振现象的发生，提高水下操作机器人控制的精度和稳定性，同时提升控制速率。
图4是本发明提供的水下机器人轨迹跟踪控制装置的结构示意图。基于上述任一实施例的内容，如图4所示，该装置包括：滑模控制模块410和自抗扰控制模块420，其中：
滑模控制模块410，用于根据滑模控制方法，基于水下机器人的操作杆上一时刻的活动角度的目标值和实际值，以及水下机器人上一时刻的干扰力的观测值，确定水下机器人的操作杆当前时刻的控制信号；
自抗扰控制模块420，用于在当前时刻的控制信号对应的轨迹误差的估计值不大于目标阈值的情况下，根据自抗扰控制方法，基于水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的目标值，以及水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的跟踪信号的观测值、跟踪信号的微分信号的观测值和水下机器人当前时刻的干扰力的观测值，确定水下机器人的操作杆下一时刻的控制信号。
具体地，滑模控制模块410和自抗扰控制模块420顺次电连接。
滑模控制模块410根据滑模控制方法的控制策略，可以基于水下机器人的操作杆各时刻的活动角度的目标值和实际值设计滑模控制律，将上一时刻的活动角度的目标值和实际值，以及由扩展状态观测器中获取到的水下机器人上一时刻的干扰力的观测值作为输入值，反馈到设计好的控制律中进行补偿，能够获得水下机器人的操作杆当前时刻的控制信号。
自抗扰控制模块420根据当前时刻的控制信号，可以得到该控制信号对应的活动角度的实际值，进而获取到当前时刻的轨迹误差的估计值。若获知对应的轨迹误差的估计值小于或者等于预先设置目标阈值的情况。水下机器人轨迹跟踪控制装置根据自抗扰控制方法的控制策略，可以设计微分跟踪器和扩展状态观测器，并以水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的目标值作为输入，结合由微分跟踪器获取到的水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的跟踪信号的观测值和跟踪信号的微分信号的观测值，以及由扩展状态观测器获取到的水下机器人当前时刻的干扰力的观测值，能够得到水下机器人的操作杆下一时刻的控制信号。
滑模控制模块，还用于在当前时刻的控制信号对应的轨迹误差的估计值大于目标阈值的情况下，根据滑模控制方法，基于水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的目标值和实际值，以及水下机器人当前时刻的干扰力的观测值，确定水下机器人的操作杆下一时刻的控制信号。
滑模控制模块410还包括扩展状态控制器模块，其中：
扩展状态控制器模块，用于水下机器人上一时刻的干扰力的观测值，基于扩展状态控制器获得的。
扩展状态控制器模块，还用于水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的跟踪信号的观测值、跟踪信号的微分信号的观测值和水下机器人当前时刻的干扰力的观测值，是基于扩展状态控制器获得的。
滑模控制模块410，具体用于
Figure BDA0003126720990000181
其中，u1(t)为水下机器人的操作杆当前时刻的控制信号，
Figure BDA0003126720990000182
为水下机器人的操作杆上一时刻的活动角度的实际值对应的角速度矢量，
Figure BDA0003126720990000183
为水下机器人的操作杆上一时刻的活动角度的目标值对应的角速度矢量，
Figure BDA0003126720990000184
为水下机器人的操作杆上一时刻的活动角度的目标值对应的角加速度，
Figure BDA0003126720990000185
为水下机器人上一时刻的干扰力的观测值，A是对称正定惯量的逆矩阵，B是对称正定惯量的逆矩阵与由离心力和哥氏力组成的向量的乘积，kf为切换增益系数。
自抗扰控制模块420，具体用于
u2(t)＝kpfal((x1-Z1)，α1，δ)+kdfal((x2-Z2)，α2，δ)
其中，u2(t)为水下机器人的操作杆下一时刻的控制信号，kp和kd分别为增益系数，x1为所述水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的跟踪信号，Z1为水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的跟踪信号的观测值，x2为所述水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的跟踪信号的微分信号，Z2为水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的跟踪信号的微分信号的观测值，α1和α2为非线性参数，δ为线性段的区间长度。
本发明实施例基于扩展状态观测器估计控制律中存在的总干扰力的观测值，并反馈回滑模控制中使其迅速到达滑模面，获取水下机器人的操作杆当前时刻的控制信号。当其对应的轨迹误差趋近于预先设定的目标阈值时，再切换至自抗扰控制确定水下机器人的操作杆下一时刻的控制信号。进而，通过滑模控制良好的瞬态性能能够快速使控制状态达到滑模面附近后，在这种趋于稳定的情况下，立即切换至自抗扰控制对轨迹进行跟踪，能够避免滑模控制的抖振现象的发生，并且提高水下操作机器人控制的精度和稳定性。
图5示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图5所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)510、通信接口(CommunicationsInterface)520、存储器(memory)530和通信总线540，其中，处理器510，通信接口520，存储器530通过通信总线540完成相互间的通信。处理器510可以调用存储器530中的逻辑指令，以执行水下机器人轨迹跟踪控制方法，该方法包括：根据滑模控制方法，基于水下机器人的操作杆上一时刻的活动角度的目标值和实际值，以及水下机器人上一时刻的干扰力的观测值，确定水下机器人的操作杆当前时刻的控制信号；在当前时刻的控制信号对应的轨迹误差的估计值不大于目标阈值的情况下，根据自抗扰控制方法，基于水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的目标值，以及水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的跟踪信号的观测值、跟踪信号的微分信号的观测值和水下机器人当前时刻的干扰力的观测值，确定水下机器人的操作杆下一时刻的控制信号。
此外，上述的存储器530中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的水下机器人轨迹跟踪控制方法，该方法包括：根据滑模控制方法，基于水下机器人的操作杆上一时刻的活动角度的目标值和实际值，以及水下机器人上一时刻的干扰力的观测值，确定水下机器人的操作杆当前时刻的控制信号；在当前时刻的控制信号对应的轨迹误差的估计值不大于目标阈值的情况下，根据自抗扰控制方法，基于水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的目标值，以及水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的跟踪信号的观测值、跟踪信号的微分信号的观测值和水下机器人当前时刻的干扰力的观测值，确定水下机器人的操作杆下一时刻的控制信号。
又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各提供的水下机器人轨迹跟踪控制方法，该方法包括：根据滑模控制方法，基于水下机器人的操作杆上一时刻的活动角度的目标值和实际值，以及水下机器人上一时刻的干扰力的观测值，确定水下机器人的操作杆当前时刻的控制信号；在当前时刻的控制信号对应的轨迹误差的估计值不大于目标阈值的情况下，根据自抗扰控制方法，基于水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的目标值，以及水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的跟踪信号的观测值、跟踪信号的微分信号的观测值和水下机器人当前时刻的干扰力的观测值，确定水下机器人的操作杆下一时刻的控制信号。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种水下机器人轨迹跟踪控制方法，其特征在于，包括：
根据滑模控制方法，基于水下机器人的操作杆上一时刻的活动角度的目标值和实际值，以及所述水下机器人上一时刻的干扰力的观测值，确定所述水下机器人的操作杆当前时刻的控制信号；
在所述当前时刻的控制信号对应的轨迹误差的估计值不大于目标阈值的情况下，根据自抗扰控制方法，基于所述水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的目标值，以及所述水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的跟踪信号的观测值、跟踪信号的微分信号的观测值和所述水下机器人当前时刻的干扰力的观测值，确定所述水下机器人的操作杆下一时刻的控制信号。
2.据权利要求1所述的水下机器人轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述根据滑模控制方法，基于水下机器人的操作杆上一时刻的活动角度的目标值和实际值，以及所述水下机器人上一时刻的干扰力的观测值，确定所述水下机器人的操作杆当前时刻的控制信号之后，所述方法还包括：
在所述当前时刻的控制信号对应的轨迹误差的估计值大于所述目标阈值的情况下，根据滑模控制方法，基于水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的目标值和实际值，以及所述水下机器人当前时刻的干扰力的观测值，确定所述水下机器人的操作杆下一时刻的控制信号。
3.根据权利要求1所述的水下机器人轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述水下机器人上一时刻的干扰力的观测值，基于扩展状态控制器获得的。
4.根据权利要求3所述的水下机器人轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的跟踪信号的观测值、跟踪信号的微分信号的观测值和所述水下机器人当前时刻的干扰力的观测值，是基于所述扩展状态控制器获得的。
5.根据权利要求1所述的水下机器人轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述根据滑模控制方法，基于水下机器人的操作杆上一时刻的活动角度的目标值和实际值，以及所述水下机器人上一时刻的干扰力的观测值，确定所述水下机器人的操作杆当前时刻的控制信号，具体包括：
Figure FDA0003126720980000021
其中，u1(t)为所述水下机器人的操作杆当前时刻的控制信号，
Figure FDA0003126720980000022
为所述水下机器人的操作杆上一时刻的活动角度的实际值对应的角速度矢量，
Figure FDA0003126720980000023
为所述水下机器人的操作杆上一时刻的活动角度的目标值对应的角速度矢量，
Figure FDA0003126720980000024
为所述水下机器人的操作杆上一时刻的活动角度的目标值对应的角加速度，
Figure FDA0003126720980000025
为所述水下机器人上一时刻的干扰力的观测值，A是对称正定惯量的逆矩阵，B是对称正定惯量的逆矩阵与由离心力和哥氏力组成的向量的乘积，kf为切换增益系数。
6.根据权利要求1所述的水下机器人轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述根据自抗扰控制方法，基于所述水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的目标值，以及所述水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的跟踪信号的观测值、跟踪信号的微分信号的观测值和所述水下机器人当前时刻的干扰力的观测值，确定所述水下机器人的操作杆下一时刻的控制信号，具体包括：
u2(t)＝kpfal((x1-Z1)，α1，δ)+kdfal((x2-Z2)，α2，δ)
其中，u2(t)为所述水下机器人的操作杆下一时刻的控制信号，kp和kd分别为增益系数，x1为所述水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的跟踪信号，Z1为所述水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的跟踪信号的观测值，x2为所述水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的跟踪信号的微分信号，Z2为所述水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的跟踪信号的微分信号的观测值，α1和α2为非线性参数，δ为线性段的区间长度。
7.一种水下机器人轨迹跟踪控制装置，其特征在于，包括：
滑模控制模块，用于根据滑模控制方法，基于水下机器人的操作杆上一时刻的活动角度的目标值和实际值，以及所述水下机器人上一时刻的干扰力的观测值，确定所述水下机器人的操作杆当前时刻的控制信号；
自抗扰控制模块，用于在所述当前时刻的控制信号对应的轨迹误差的估计值不大于目标阈值的情况下，根据自抗扰控制方法，基于所述水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的目标值，以及所述水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的跟踪信号的观测值、跟踪信号的微分信号的观测值和所述水下机器人当前时刻的干扰力的观测值，确定所述水下机器人的操作杆下一时刻的控制信号。
8.根据权利要求7所述的水下机器人轨迹跟踪控制装置，其特征在于，所述装置还包括：
所述滑模控制模块，还用于在所述当前时刻的控制信号对应的轨迹误差的估计值大于所述目标阈值的情况下，根据滑模控制方法，基于水下机器人的操作杆当前时刻的活动角度的目标值和实际值，以及所述水下机器人当前时刻的干扰力的观测值，确定所述水下机器人的操作杆下一时刻的控制信号。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至6任一项所述水下机器人轨迹跟踪控制方法的步骤。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述水下机器人轨迹跟踪控制方法的步骤。
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