[发明专利]一种中性浮力机器人一致性容错控制方法

说明书

本发明公开了一种中性浮力机器人一致性容错控制方法，依据线性矩阵不等式给出了调参方法，属于机器人控制领域；本发明首先建立了惯性坐标系下的中性浮力机器人系统模型；然后将多中性浮力机器人信息交互模型建立成有向拓扑模型，给出了交互模型重要假设；在此两者的基础上设计了分布式自适应扰动观测器实时估计一致性误差状态和未知扰动，同时给出了执行器错误自适应估计方法；最终根据分布式自适应扰动观测器，设计了容错控制器，确保了多中性浮力机器人系统一致性和较强的鲁棒性。本发明结合中性浮力机器人模型的特点，设计的控制策略有很好的控制性能，适于工程应用。

技术领域

本发明属于中性浮力机器人技术领域，特别涉及一种中性浮力机器人一致性容错控制方法。

背景技术

由于利用空间环境进行实时实验验证成本高昂，因此地面验证空间技术进行微重力环境模拟实验成为替代解决方案。在微重力环境模拟实验的研究中，应用中性浮力系统来进行微重力环境下的模拟实验的研究受到国内外越来越多的广泛关注。随着研究的加深，模拟的空间任务也变得愈加复杂，单个中性浮力机器人无法很好地完成任务。为了更好的模拟空间操作任务，需要考虑多个中性浮力机器人协同完成复杂任务的场景。此外，中性浮力机器人系统内部存在耦合，以及受到水的黏性阻力影响，是一个典型的非线性系统，同时，由于环境复杂，执行器发生错误的情况也需要考虑。为了实现多中性浮力机器人协同工作，必须确保所设计的分布式姿态控制算法在上述各种不确定性存在的情况下，依然能够较好地实现多中性浮力机器人一致性控制。

当前由于容错控制算法限制较大，需要已知本地中性浮力机器人系统状态才能基于自适应的方法设计容错控制策略，另外，传统的自适应控制策略需要系统扰动精确已知，这在实际情况中无法实现。而对于存在强耦合性，强非线性以及空间外部扰动的中性浮力机器人来说，提高系统的鲁棒性能，考虑执行器错误以及实现协同工作具有十分重要的意义；为了处理执行器错误问题以及实时补偿系统不确定性，我们采用基于分布式自适应扰动观测器的容错控制方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种中性浮力机器人一致性容错控制方法，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种中性浮力机器人一致性容错控制方法，包括以下步骤：

步骤1，建立惯性坐标系下中性浮力机器人姿态运动学与动力学模型；

步骤2，建立多中性浮力机器人信息交互模型；

步骤3，构建分布式自适应扰动观测器，给出分布式自适应扰动观测器参数调整方法，通过求解线性矩阵不等式，来调整扰动观测器参数；

步骤4，设计自适应容错控制器，给出容错控制器参数调整方法，通过求解线性矩阵不等式，来调整控制器参数；

步骤5，完成多中性浮力机器人一致性的控制策略；

构建分布式自适应扰动观测器主要包括：首先定义第i个跟随者中性浮力机器人本地邻居一致性误差为

考虑到中性浮力机器人运动学与动力学方程式二阶方程，为估计系统执行器错误以及环境外扰，构建自适应扰动观测器：

其中，β_i2和β_i3为观测器增益，ρ＞1是正定常数，z_i2和z_i3是多中性浮力机器人一致性误差的观测器状态估计，为执行器错误的估计值，为自适应律，κ_i为滤波器的输出值且滤波器设计如下

自适应律设计如下

其中，