[发明专利]水下机器人轨迹跟踪反步控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种水下机器人控制方法，特别涉及一种水下机器人轨迹跟踪反步控制方法。

背景技术

ROV(遥控式水下机器人)能很好地胜任强度大、持续时间长的水下工作任务，操作方便，效率高，但当前水下机器人轨迹跟踪控制多采用PID控制算法，由于其控制算法简单且与模型参数无关，同一些与基于模型参数设计的算法相比，其控制效果仍存在些差距。

文献《模糊PID控制在水下机器人运动控制中的应用》(沈伟，哈尔滨工程大学，2005)设计了一种模糊PID控制在水下机器人运动控制的方法。该方法在运动控制部分，首先设计一个Mamdani型的常规模糊控制器，然后在此基础上设计了两种高精度的控制器：模糊自适应PID控制器和模糊PID双模复合控制器，并分别进行了仿真试验和外场试验研究。在该论文的模糊自适应PID控制中，由于目前利用模糊规则进行非线性增益调整还没有成熟的模糊规则可以借鉴，其参数调整的规则是建立在传统PID控制技术参数调整的基础上通过仿真调试得到的，很多参数的选取是基于经验的，由于经验知识的不足以及仿真系统的缺陷，参数调整的模糊舰则有待于进一步完善，特别是在小误差时，增益参数的选取有待于在外场实验中作进一步的研究。

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，本发明提供一种水下机器人轨迹跟踪反步控制方法。该方法基于水下机器人体坐标系的六自由度运动方程首先定义广义坐标的跟踪误差，再定义广义速度误差，选择第一个李雅普诺夫函数和第二个李雅普诺夫函数，选择控制律，实现水下机器人控制。本发明采用李雅普诺夫函数，控制的稳定性高，位置误差和角度误差趋近于零，因此实用性好。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种水下机器人轨迹跟踪反步控制方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一、基于水下机器人体坐标系的六自由度运动方程：

其中M为广义质量正定矩阵，为水下机器人位置与偏航角，v＝[u_r v_rr]为广义水流速度，u_r v_r r分别为纵向、横侧向速度和偏航角速率，C(v)为广义阻力系数斜对称矩阵，D(v)为流体动力学参数，τ_c为控制力矩向量；

步骤二、首先定义广义坐标的跟踪误差为：

z₁＝η-η_d (2)

其中η_d为输入参考信号。对广义坐标跟踪误差求导得：

定义广义速度误差：

z₂＝v-v_r (4)

其中广义速度矢量v_r为虚拟控制输入，表示为：

对z₂求导，由式(4)得：

步骤三、选择第一个李雅普诺夫函数：

对式(7)求导得：

选择第二个李雅普诺夫函数：

求导得：

为满足条件选择控制律

本发明的有益效果是：该方法基于水下机器人体坐标系的六自由度运动方程首先定义广义坐标的跟踪误差，再定义广义速度误差，选择第一个李雅普诺夫函数和第二个李雅普诺夫函数，选择控制律，实现水下机器人控制。本发明采用李雅普诺夫函数，控制的稳定性高，位置误差和角度误差趋近于零，因此实用性好。

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是本发明水下机器人轨迹跟踪反步控制方法的流程图。

具体实施方式

参照图1。本发明水下机器人轨迹跟踪反步控制方法具体步骤如下：

步骤一、基于水下机器人体坐标系的六自由度运动方程：

其中M为广义质量正定矩阵，为水下机器人位置与偏航角，v＝[u_r v_rr]为广义水流速度，u_r v_r r分别为纵向、横侧向速度和偏航角速率，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，τ_c为控制力矩向量；各矩阵及参数取值如下：