[发明专利]一种蠕虫管道机器人模糊滑模控制器及其设计方法

说明书

本发明公开了一种蠕虫管道机器人模糊滑模控制器及其设计方法，针对蠕虫管道机器人在没有反馈控制器情况下，较难实现精确参考指令跟踪的问题，特别是针对蠕虫管道机器人强非线性以及摩擦力难以估计的特点，设计了带有摩擦力估计器的模糊滑模反馈控制器，同时对一般滑模面进行了优化和改进，使之适应蠕虫管道机器人的运动方式，最终实现对蠕虫管道机器人的质心速度跟踪，并保证其质心位置跟踪特性具有良好性能。仿真结果表明，所设计的控制器能够实现对蠕虫管道机器人质心速度的快速跟踪，并使得机器人质心位置跟踪误差较小。

技术领域

本发明属于蠕虫管道机器人技术领域，尤其涉及一种蠕虫管道机器人模糊滑模控制器及其设计方法。

背景技术

随着社会的发展，管道在工业生产、能源运输、城市建设等领域起着越来越明显的作用。在工业生产领域中，大型发电厂、水电厂等场所常使用管道进行运输；在能源运输领域中，管道运输是运送大量气态或液态能源的极佳运输方式；在城市建设方面，管道能够实现排污、供电、网络通信等功能。

但与之而来产生了大量管道问题，包括堵塞、生锈、腐蚀、泄露、老化等。由于管道中的物质大多是人体不可触碰的物质，极不利于开展对管道的检测与维护，因此管道机器人的需求在近几年内大幅度增加。

管道机器人属于特种机器人的分支。按行走方式主要可以分为轮式、履带式、蠕动式等。轮式管道机器人通过滚轮与管壁摩擦力的作用实现管道机器人的运动，但驱动力受限。履带式管道机器人拖拽能力更大，但过弯能力较弱。爬行式管道机器人分为蠕动式机器人和蛇形机器人两种，均是运用了仿生学原理，学习尺蠖、蚯蚓等爬行动物的运动方式设计而成。爬行式管道机器人对于管径和曲率半径具有较好的适应性，但其间歇性的运动方式给机器人控制带来麻烦。

俄罗斯的Sattarov教授设计的一种蠕虫管道机器人[1][2]，学习了蠕虫的运动方式，结构新颖，能够较好的适应管径的大小，其运动原理是利用弹簧力电磁力摩擦力的交替变化产生向前运动的力。但缺点是没有对蠕虫管道机器人进行反馈控制器设计，其控制器仅为一个开环系统，很难按照指令要求达到指定速度和指定位置，同时控制器精确性也较低。本发明对文献[1][2]设计的蠕虫管道机器人进行理论分析，针对蠕虫管道机器人存在的缺点，进行反馈控制器设计。

滑模变结构控制在本质上属于一种特殊的非线性控制，其非线性主要表现在控制作用的不连续性。针对蠕虫管道机器人强非线性的特征，滑模控制具有相当的优势：它能够基于稳定性条件直接导出能使系统稳定的控制律，同时系统的特性与外界干扰无关，所以系统鲁棒性强。因此，本专利考虑设计滑模反馈控制器对蠕虫管道机器人进行控制。但是滑模控制也有其缺陷：当系统的状态轨迹到达滑模面时，难以沿着滑模面向平衡点运动，而是在滑模面两侧作往复运动，从而出现抖振现象。另外，滑模控制还有滑膜参数难以确定的问题。

为了克服滑模控制存在的缺点，引入模糊规则对滑模参数进行整定。模糊规则是基于专家经验设计而成，能够较好的解决滑膜参数非线性难以确定的问题。

参考文献：

1.R.R.Sattarov and M.A.Almaev.:Electromagnetic worm-like locomotionsystem for in-pipe robots:Design and vibration-driven motion analysis,Dynamics of Systems,Mechanisms and Machines(Dynamics),pp.1-6.Omsk(2017).

2.Sattarov,RobertAlmaev,Marsel.:Electromagnetic worm-like locomotionsystem for in-pipe robots:novel design of magnetic subsystem.IOP ConferenceSeries:Earth and Environmental Science.(2019)

发明内容