[发明专利]基于四元数的全驱动抗退绕水下机器人有限时间容错轨迹跟踪控制方法

说明书

本发明公开了一种基于四元数的全驱动抗退绕水下机器人有限时间容错轨迹跟踪控制方法，包括：建立基于四元数的水下机器人运动数学模型；通过水下机器人运动数学模型获取水下机器人的运动状态信息及参考轨迹，建立轨迹跟踪误差动力学方程；结合双曲正切函数设计非线性快速终端滑模变量；考虑到未知的外界扰动和时变的惯性参数，根据轨迹跟踪误差动力学方程和非线性快速终端滑模变量设计自适应容错控制器。该方法解决了全驱动水下机器人的轨迹跟踪控制问题，考虑到未知的洋流扰动、时变的惯性参数以及执行机构故障的影响，实现了水下机器人在有限时间内跟踪上期望轨迹。

技术领域

本发明涉及水下机器人控制技术领域，特别涉及一种基于四元数的全驱动抗退绕水下机器人有限时间容错轨迹跟踪控制方法。

背景技术

水下机器人由于其可控性好、续航能力长、信息处理方式智能，取代了人工潜水，为人类进行海洋资源的开发和利用提供了强有力的工具。随着多功能水下机器人的发展，由于其在资源勘探、环境监测、海洋研究等各种工程任务中有着广泛应用，因此对水下机器人的进一步的开发和利用无疑有着极高的现实意义。

值得注意的是，考虑到水下机器人的总体结构存在高度耦合，模型的高度非线，理想的轨迹跟踪控制器设计仍然面临着许多挑战。首先是由于洋流扰动以及参数摄动引起的系统不确定性问题，主要包括未知的干扰力矩和时变的惯性参数；随后，欧拉角虽然作为一种标准的姿态描述方法，但水下机器人在进行大角度机动时会不可避免的出现奇异性问题；最后，由于现代水下机器人的复杂性不断增加，会不可避免地出现导致控制性能下降甚至整个控制系统瘫痪的各种故障。在所有可能的故障类型中，其中最常见的类型即为执行机构故障，包括部分失效故障及随机漂移故障等。因此，目前迫切地需要一种针对全驱动水下机器人的轨迹跟踪控制算法，以保证所开发的控制器不仅具有全局姿态描述能力，而且在面对外界扰动、参数摄动及执行机构故障条件下具有更强的鲁棒性和可靠性。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种基于四元数的全驱动抗退绕水下机器人有限时间容错轨迹跟踪控制方法，该方法实现了水下机器人在有限时间内跟踪上期望轨迹。

为达到上述目的，本发明实施例提出了基于四元数的全驱动抗退绕水下机器人有限时间容错轨迹跟踪控制方法，该方法实现了水下机器人在有限时间内跟踪上期望轨迹，包括以下步骤：步骤S1，建立基于四元数的水下机器人运动数学模型；步骤S2，通过所述水下机器人运动数学模型获取水下机器人的运动状态信息及参考轨迹，建立轨迹跟踪误差动力学方程；步骤S3，结合双曲正切函数设计非线性快速终端滑模变量；步骤S4，考虑到未知的外界扰动和时变的惯性参数，根据所述轨迹跟踪误差动力学方程和所述非线性快速终端滑模变量设计自适应容错控制器。

本发明实施例的基于四元数的全驱动抗退绕水下机器人有限时间容错轨迹跟踪控制方法，构造了一个具有无奇异性和抗退绕能力的非线性滑模曲面，一方面利用双曲正切函数可以有效地解决奇异性问题，另一方面，通过将标量四元数的初始值加到滑动模态曲面上，好地解决展开问题，从而该新颖的结构滑模具有良好的性能；同时，本发明实施例在基于四元数的水下机器人姿态描述中，基于自适应控制对其执行器故障进行实时估计和补偿，与大多数相关技术中使用单位四元数对水下机器人的旋转运动进行全局描述的方法不同，如果执行器出现故障，该方案就会失去效果，与此类相关技术相比，所开发的控制器不仅具有全局姿态描述能力，而且具有容错能力。

另外，根据本发明上述实施例的基于四元数的全驱动抗退绕水下机器人有限时间容错轨迹跟踪控制方法还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述水下机器人运动数学模型为：