[发明专利]一种基于自抗扰的中性浮力机器人姿态与轨迹控制方法

说明书

本发明公开了一种基于自抗扰理论的中性浮力机器人姿态与轨迹控制方法，针对中性浮力系统中机器人抗干扰能力差以及有限字长引起的舍入误差问题，利用delta算子理论，构建中性浮力系统delta域动力学状态方程。设计delta域跟踪微分器，安排输入信号的过渡过程。针对中性浮力系统中水的阻力以及各控制力之间的耦合项设计delta域扩张状态观测器。利用跟踪微分器的输出状态与扩张状态观测器的估计状态设计delta域复合抗干扰控制器，完成中性浮力系统中机器人姿态与轨迹控制。本方法利用扩张状态观测器估计中性浮力系统中总干扰以及系统内非线性耦合项，提高了系统抗干扰能力，有效减小了系统参数有限字长的舍入误差，可用于微重力环境下机器人姿态与轨迹高精度控制。

技术领域

本发明属于微重力机器人控制领域，涉及一种基于自抗扰理论的中性浮力机器人姿态与轨迹控制方法，特别是针对在复杂水下环境中运行的中性浮力机器人自抗扰控制方法。

背景技术

作为地面验证空间技术的关键平台，微重力模拟系统一直以来受到国内外的广泛关注。在微重力模拟系统中，由于中性浮力系统可以提供长时间、大范围、高精度的微重力环境，因此，中性浮力系统受到了广泛研究。然而，在中性浮力系统中，机器人工作于水下环境，不仅各个控制力之间相互耦合，而且机器人严重受到水的黏性阻力影响。此外，在实际数字控制系统中，有限字长表示将不可避免地导致系统参数的舍入误差。以上这些因素会严重影响中性浮力机器人的姿态与轨迹控制。因此，在中性浮力机器人姿态与轨迹控制方法设计中，寻求一种主动抗干扰同时减小舍入误差的控制方法显得尤为重要。

当前由于自抗扰控制方法具有精度高、反应快、抗干扰能力强等优点，广泛应用于电力系统、磁性无杆气缸系统、四旋翼系统、坦克火炮系统等。一般来说，自抗扰控制方法包含三部分：跟踪微分器，扩张状态观测器和反馈控制器。其中，跟踪微分器用以设计输入信号的过渡过程，减小系统超调；扩张状态观测器用以估计系统受到的总干扰以及系统内的非线性耦合项，并将其扩张为一个新的状态；反馈控制器利用扩张状态观测器估计的状态使整体闭环系统稳定。因此，自抗扰控制方法可以有效提高中性浮力机器人的抗干扰能力。此外，delta算子方法可以有效减小有限字长的舍入误差，提高中性浮力系统的控制精度。本发明专利提出了一种把自抗扰控制器与delta算子理论相结合的delta算子自抗扰控制器，既能保证中性浮力机器人的姿态与轨迹跟踪控制稳定，又可以提高控制精度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，本发明提出了一种基于delta算子的自抗扰控制方法，充分利用自抗扰控制器抗干扰的能力以及delta算子方法在舍入误差方面的优势，提高中性浮力系统的稳定性与控制精度。

本发明采用以下技术方案：

一种基于自抗扰的中性浮力机器人姿态与轨迹控制方法，先利用delta算子理论，构建中性浮力系统delta域动力学状态方程；通过delta域跟踪微分器安排输入信号的过渡过程；针对中性浮力系统中水的阻力以及各控制力之间的耦合项确定delta域扩张状态观测器；利用跟踪微分器的输出状态与扩张状态观测器的估计状态，设计复合抗干扰控制器，完成中性浮力系统中机器人姿态与轨迹控制。

进一步的，具体步骤如下：

S1、根据地理坐标系Ox_ny_nz_n、机器人体坐标系Ox_by_bz_b，以及中性浮力系统在体坐标系下的动力学模型得到系统模型，根据delta算子定义，构建中性浮力系统delta域动力学状态模型；

S2、建立delta域跟踪微分器如下：