[发明专利]一种水下机器人翻滚角控制方法

说明书

本发明公开了一种水下机器人翻滚角控制方法，包括如下步骤：(1)输入预处理过程；(2)模糊逻辑控制器处理过程；(3)PID控制器处理过程，输出给执行机构。本发明以水下机器人为研究对象，通过实验和仿真，将PID控制与模糊控制相结合，得到了模糊自整定PID控制水下机器人翻滚角的方法，以提高翻滚角上的控制精度和稳定性。

技术领域

本发明涉及水下控制技术领域，尤其是一种水下机器人翻滚角控制方法。

背景技术

对于水下机器人在水中运动时进行精确控制存在的主要影响有：任务过程中机械手进行的各种运动可能引起整体的重心和浮心偏移从而影响机器本体运动；任务过程中可能进行的物品收集或释放使得机器整体重力和浮力产生变化从而影响机器运动；水下机器人在水下运动过程中引起的周围水流以及水下本身存在的水流的干扰；水动力系数的不确定性；水下机器人运动的非线性且时变性。

水下机器人的控制方法主要包括PID控制、模糊控制、自整定控制等。PID控制作为一个传统控制方法的优点是简单、清晰、稳定可靠的实际参数，但它的缺点是必须建立一个更精确的数学模型。而对于水下机器人的姿态位置控制系统而言，由于其易受外围环境如洋流、海水密度等变化的影响，整个系统为时变非线性系统，不同时刻需要选用不同的PID参数，采用传统的PID控制器，很难使整个运行过程具有较好的运行效果。模糊控制不需要被控对象的精确模型，但是这也限制了控制系统的敏感性和稳定性。且大部分对水下机器人控制的研究都注重于定位、定向、定速和定深，对姿态控制尤其是翻滚角控制研究较少。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种水下机器人翻滚角控制方法，能够提高翻滚角上的控制精度和稳定性。

为解决上述技术问题，本发明提供一种水下机器人翻滚角控制方法，包括如下步骤：

(1)输入预处理过程；

(2)模糊逻辑控制器处理过程；

(3)PID控制器处理过程，输出给执行机构。

优选的，步骤(1)中，输入预处理过程具体为：

(11)对姿态传感器采集到的数据进行卡尔曼滤波；

(12)设置定时器定时计算误差e与误差变化ec。

卡尔曼滤波能够平滑姿态传感器读数，较为准确的在水下易变环境中估测出水下机器人当前姿态，定时器使得e与ec的计算时间间隔一致，方便后续离散型PID控制器的计算。

优选的，步骤(2)中，模糊逻辑控制器处理过程具体包括如下步骤：

(21)根据实际情况设置输入隶属度函数对输入参数模糊化；

(22)根据优化的模糊规则进行模糊推理；

(23)使用Ziegler-Nichols算法根据实际情况整定输出隶属度函数；

(24)根据步骤(23)中的输出隶属度函数使用重心法进行去模糊化。

优选的，步骤(23)中，使用Ziegler-Nichols算法根据实际情况整定输出隶属度函数具体为：建立水下机器人横滚角运动学简单模型，此模型的传递函数如下：

使用Ziegler-Nichols法进行参数整定，使用只有比例控制的闭环系统进行频域响应整定，频域响应整定经验公式如下：

K_P＝0.6K_m,

当Km约为15左右时，曲线震荡最为频繁，由Ziegler-Nichols经验公式得到的三个参数为K_P＝9，K_I＝0.88，K_D＝2.25。