[发明专利]一种基于多电机主从轴协同算法的水下机器人控制方法

说明书

本发明属于水下机器人电力推进控制技术领域，具体地说，是一种基于多电机主从轴的水下机器人多电机协同算法及其控制方法，该方案利用归一化比例协同分配方法，实现从动轴多台推进电机保持比例同步关系下的差速运行。本发明针对这种多电机协同控制系统，提出采用动态面反步滑模控制器来控制从动轴推进电机的转速，这种控制方法能有效的消除水下随机非线性与持续性扰动，保证多电机的比例协调同步过程，具有较强的抗扰动能力。

技术领域

本发明属于机器人控制技术领域，具体地说，是一种基于多电机主从轴的水下机器人多电机协同算法及其控制方法。

背景技术

随着有限的陆地资源与人口爆炸的矛盾日益突出，海洋勘探开发已成为世界各国研究的热点。对海洋的探索和开发离不开先进海洋科学技术的支撑，水下机器人能够胜任对海底地形地貌的勘察、海底地质勘探、海洋环境和水文参数测量、对水下生物考察等方面的工作，是执行复杂危险的海下任务时极重要的载体平台。然而，大多数水下机器人在浅水区或狭窄复杂水域作业时，会受到湍流的干扰，严重的紊流会使水下航行器产生震荡或侧翻等问题。多电机水下推进方法具有更高的效率和稳定性，对多电机协同控制进行优化是必要的。

现在多电机同步算法主要有以下方案：

(1)交叉耦合同步控制系统

交叉耦合控制策略的原理是比较相邻两台电机的速度或位置，将其差值反馈同时跟踪反馈信号。当系统中的任何电机的负载产生变化，该方案都可以反映。但是其计算两个以上电机的反馈近似值非常繁琐，不适用于两个以上的电机。

(2)偏差耦合同步控制系统

偏差耦合控制，将每台电机与其他电机间的同步误差加权计算之后，反馈到各台电机，实现较好的同步性能。由于每台电机的补偿值计算都需要与其余每一台电机的同步误差，因此偏差耦合计算量正比于电机数目的平方，计算量过大是该方法的一个缺点。此外，偏差耦合在启动过程中还存在控制器饱和失效等问题。

(3)虚拟主轴同步控制系统

虚拟主轴同步系统的原理是设置一个虚拟电主轴，在虚拟轴部分加入力矩模块。通过计算虚拟轴与从轴电机的差值来获得虚拟力矩，并且把这个参数送到主轴中。经过控制器的运算，得到虚拟轴和从轴电机参数的反馈关系，通过虚拟力矩模拟机械主轴的功能实现同步控制。然而，虚拟主轴只适用于多台从电机转速一致的情况。

表1现在国内多电机协同控制方式的优缺点对比

实际航行中，水中环境复杂、水的粘稠系数较大，周围水流会对水下机器人造成持续性干扰，严重时会造成船体持续震荡，无法实现精确的航迹跟踪，甚至于脱离期望航迹，导致跟踪控制不稳定。针对水下机器人实际运行工况：轨迹跟踪过程中转向时x，y，z轴的速度不一致。

发明内容

本发明的目的是解决上述技术问题，本发明提出了主轴反步控制方法，此外，还融合主从轴控制技术与先进智能控制方法，使得采用本发明所述多电机主从轴控制技术的水下机器人能够在水流、波浪的随机扰动下稳定而高效得循迹运行。

本发明利用归一化比例同步系数分配方法，设计多电机主从轴协同算法。对于从动轴推进电机模型设计动态面反步滑模(DBSMC)控制器，与多电机协同控制系统配合完成对水下机器人动力推进部分的控制。

本发明采用的具体技术方案如下：

一种基于多电机主从轴协同算法的水下机器人控制方法，由多电机主从轴协同控制系统和从动轴推进电机动态面反步滑模控制器组成，所述多电机主从轴控制系统通过归一化比例同步系数分配算法进行设计，将多电机协同算法与水下机器人的推力分配相结合，改进控制系统输入端，所述从动轴推进电机动态面反步滑模控制器以反步法为基础利用动态面消除微分膨胀问题，加入滑模控制算法增强控制系统的鲁棒性。