[发明专利]基于线性自抗扰技术的水下机器人深度控制装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于线性自抗扰技术的水下机器人深度控制装置和方法。属于水下机器人深度控制领域。

背景技术

水下机器人是时变、非线性、大时延、多自由度的系统。由于水动力参数的复杂性和涌流环境的变化，很难得到精确的数学模型，因此其控制是非常困难的。水下机器人的深度运动虽然只是空间一般运动的一个特殊情形，但它是一个具有实用性和典型性的常见运动形式，因此在水下机器人的运动和建模研究中有重要意义。水下机器人深度运动具有欠驱动、强耦合的特点，海流、海浪等对垂直面的干扰更加复杂，如何保证控制品质，特别是强干扰情况下的深度控制问题特别需要重点关注。

随着水下机器人重要性不断提高,很对先进的算法被应用于水下机器人深度运动控制研究中,如神经网络控制/滑模变结构控制、非线性控制/自适应控制等,这些控制方法的先进性是无容置疑的,但是目前大多数控制理论仍处于数值仿真阶段，与工程应用还存在一定的距离。因此，研究更简单的能实际应用于水下机器人深度运动控制中，解决水下机器人欠驱动、强耦合问题，提高水下机器人处理未建模不确定因素和外界扰动能力的深度运动控制性能，是目前水下机器人运动控制研究中的一个迫切需要解决的问题。

文献《A neural net controller for underwater robotic vehicles》将神经网络控制应用于自治水下机器人的运动控制中，结果表明该方法是行之有效的，但是还有一定的缺陷，系统的稳定性无法保证；

文献《Multivariable sliding mode control for autonomous diving and steering of unmanned underwater vehicles》设计了一个滑动模态控制器，用于自治水下机器人的控制，并对实验效果进行了实验仿真，结果表明该方法对系统参数以及环境参数变化具有良好的鲁棒性，但属于离线控制；

文献《自治水下机器人深度的鲁棒H_∞控制仿真》引入了鲁棒控制策略，该控制器在减轻/克服自治水下机器人运动模型的不确定性，严重非线性和外界干扰等方面具有明显的效果，具有很好的动态性能，系统的鲁棒性强，但是系统反应时间过长，难以实现实时控制。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷提供一种可以有效地适应水下机器人强非线性动力学特性以及外界干扰，实现精确深度控制的基于线性自抗扰技术的水下机器人深度控制装置和方法。

 

本发明采用如下技术方案:

一种水下机器人深度控制装置，包括：水下机器人、电缆、计算机、控制主板、传感器。所述传感器安装于水下机器人，水下机器人通过电缆与计算机相连，控制主板与计算机相连，线性自抗扰深度控制方法存储于控制主板内；所述传感器通过支架安装在水下机器人下方。

本发明线性自抗扰深度控制具体过程如下:

1）水下机器人进行初始化设置，完成位置、姿态以及所携带传感器的初始化；

2）控制主板接受任务指令，进行任务规划，并将规划结果发送到控制计算机；

3）传感器获取深度、速度、姿态角度信息；

4）控制计算机接收传感器反馈信息以及任务信息，利用基于线性自抗扰技术的深度控制方法进行控制解算，由期望的水下机器人深度作为跟踪微分器的输入信号，由各传感器获取的深度信息作为线性扩张状态观测器的输入信号，由跟踪微分器和线性扩张状态观测器输出信号的偏差作为非线性误差反馈的输入信号，由非线性误差反馈输出的控制信号经由扰动补偿后输出得到线性自抗扰控制的输出信号，即水下机器人的一个控制量；

5）将控制指令发送到水下机器人执行机构；

6）水下机器人执行机构执行控制指令，完成水下机器人深度运动控制。

本发明还可以包括：

所述线性自抗扰技术的深度控制方法的工作过程为：

（1）把通道间的交叉耦合影响视为不确定扰动，将其与外部干扰作为扩张状态；

（2）对跟踪微分器进行赋值和初始化，使其能快速准确地跟踪输出信号及其微分，为状态误差信号及其微分的提取提供基础；

（3）利用观测器带宽确定观测器增益，设计线性扩张状态观测器跟踪各阶扩张状态变量，估计出水下机器人状态量及扰动量；

（4）设计非线性误差反馈控制律，并调整非线性误差反馈控制律的参数使闭环系统达到理想的效果，最后将其输出送入到水下机器人执行机构。

 

本发明的主要特点体现在：