[发明专利]一种基于双闭环自抗扰的水下机器人姿态与位置控制方法

说明书

本发明公开了一种基于双闭环自抗扰的水下机器人姿态与位置控制方法，首先对水下机器人运用动量和矩定理并利用大地坐标系和机体坐标系间的转换关系，建立动力学模型；设计水下机器人的速度环扩张状态观测器观测未建模和外部扰动并实时补偿抑制，使得速度环的抗扰性能大大增加，提高系统的鲁棒性；针对速度环高频震颤的特点，利用扰动观测值构建基于非线性函数反馈速度环自抗扰控制器；基于非线性函数fhan，设计目标位置信号的跟踪微分器，给出位置信号的过渡过程和目标速度估计值，避免了系统响应的突变，解决了快速性和超调的矛盾；设计基于位置偏差反馈的水下机器人位置环比例‑微分控制器，适于工程应用。

技术领域

本发明属于水下机器人控制领域，涉及水下机器人的姿态和位置控制方法，具体涉及一种基于双闭环自抗扰的水下机器人姿态与位置控制方法。

背景技术

随着人类对海洋资源的开发越来越深入，水下机器人由于其下潜深度大，工作时效久，取代了人工潜水，为人类进行深海资源的研究与开发提供了强有力的工具，因此受到国内外的广泛关注；受自身复杂动力学特性的影响以及水文扰流的影响，水下机器人弹性机体、推进系统以及结构动态之间的耦合更强，模型的非线性度也更高；此外，受水流的粘性阻力、兴波阻力和波浪力影响，水下机器人对外界条件非常敏感。

当前针对水下机器人控制大都集中在基于偏差反馈的非线性控制的设计上；自抗扰是一种预知扰动，通过非线性反馈在线主动抑制扰动的新型控制技术。自抗扰控制器主要包括三个部分，跟踪微分器，扩张状态观测器和非线性状态误差反馈。顾名思义，跟踪微分器用来安排过渡过程和产生跟踪信号的微分信号。安排过渡过程的目的是降低目标值和当前值的偏差，特别是当跟踪信号存在阶跃信号时，可以有效避免系统震荡，使当前值无超调情况下最快达到目标值。扩张状态观测器是将系统外部扰动和模型内部扰动作为一个扩张的状态进行观测，实际上，可以充分利用标称模型中的已知非线性耦合，以获得更高的精度。PID利用偏差及其各阶导数的线性组合进行反馈，然而，这种线性反馈往往不是最优的；非线性状态误差反馈将偏差及其导数进行非线性组合，非线性饱和函数fal(·)和fhan(·)的使用使控制器能够满足工程实际中“小偏差，大增益；大偏差，小增益”的调参经验。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于双闭环自抗扰的水下机器人姿态与位置控制方法，以克服现有非线性控制器的运算负荷大，不利于工程实现和抗扰能力差的不足，本发明通过建模将水下机器人分为内环速度环和外环角度环，内环使用自抗扰控制器，外环使用PD控制器；内环速度量变化快，并且受误差影响大，使用自抗扰控制器以获得更强的鲁棒性和更高的精度，位置量一般变化缓慢，使用PD控制就可以获得足够的鲁棒性；而且控制器设计简单，计算机运行负载低。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于双闭环自抗扰的水下机器人姿态与位置控制方法，包括以下步骤：

步骤一：对水下机器人运用动量矩定理和坐标系间的转换关系，建立动力学模型；

步骤二：设计水下机器人的速度环扩张状态观测器；

步骤三：利用矿长状态观测器给出的扰动观测值构建基于非线性函数反馈速度环控制器；

步骤四：基于非线性函数，设计目标位置信号的跟踪微分器，给出位置信号的过渡过程和目标速度估计值；

步骤五：设计水下机器人位置环控制器，对水下机器人姿态与位置进行控制。

进一步地，步骤一具体为：水下机器人在大地坐标下的位置量为其中x、y和z是机器人的位置坐标，φ、θ和是机器人的姿态角度；机体坐标系下，机器人的速度量为v＝[μ υ ω p q r]^T，其中，μ、υ和ω为机器人沿机体坐标轴的线速度，p、q和r是机器人绕机体坐标轴的角速度，方向满足右手螺旋定理，η和ν都是时间t的函数；为沿大地坐标轴的速度向量，通过转换矩阵J(η)，能够获得与ν的转换关系：