基于微分跟踪器和扰动观测器的水下机器人轨迹控制方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于微分跟踪器和扰动观测器的水下机器人轨迹控制方法及系统，包括以下步骤：步骤1，构建获得水下机器人动力学模型；步骤2，构建获得水下机器人速度观测器；步骤3，构建获得水下机器人扰动观测器；步骤4，基于步骤2获得的水下机器人速度观测器和步骤3获得的水下机器人扰动观测器，构建获得水下机器人轨迹跟踪控制器和水下机器人位置控制器；基于获得的水下机器人轨迹跟踪控制器和水下机器人位置控制器实现水下机器人轨迹控制。本发明专利技术能够有效抑制水下机器人的位置控制中的扰动，提高轨迹跟踪系统的鲁棒性；能够使得控制更加精确。制更加精确。制更加精确。

【技术实现步骤摘要】
基于微分跟踪器和扰动观测器的水下机器人轨迹控制方法及系统


[0001]本专利技术属于水下机器人控制
，涉及水下机器人的位置和轨迹控制领域，特别涉及一种基于微分跟踪器和扰动观测器的水下机器人轨迹控制方法及系统。

技术介绍

[0002]海洋资源在人类发展过程中发挥越来越重要的作用，水下机器人由于其导航定位精度高、能源密度高、信息处理方式智能、运动控制与规划决策实时性高，取代了人工潜水，为人类进行深海资源的研究与开发提供了强有力的工具；水下机器人是融合了人工智能、信息识别、智能处理、自主决策、姿态位置控制的嵌入式系统。水下机器人的总体结构、流体性能、动力系统、控制与通讯方式之间存在强耦合，模型的非线性度也很高；此外，受压力、水密、负载和速度影响，水下机器人易受外界条件影响。
[0003]综上，亟需一种新的水下机器人轨迹控制方法及系统。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种基于微分跟踪器和扰动观测器的水下机器人轨迹控制方法及系统，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本专利技术能够有效抑制水下机器人的位置控制中的扰动，提高轨迹跟踪系统的鲁棒性；能够使得控制更加精确。
[0005]为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0006]本专利技术的一种基于微分跟踪器和扰动观测器的水下机器人轨迹控制方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1，构建获得水下机器人动力学模型；
[0008]步骤2，基于步骤1获得的动力学模型，构建获得水下机器人速度观测器；<br/>[0009]步骤3，基于步骤1获得的动力学模型，构建获得水下机器人扰动观测器；
[0010]步骤4，基于步骤2获得的水下机器人速度观测器和步骤3获得的水下机器人扰动观测器，构建获得水下机器人轨迹跟踪控制器和水下机器人位置控制器；基于获得的水下机器人轨迹跟踪控制器和水下机器人位置控制器实现水下机器人轨迹控制。
[0011]本专利技术的进一步改进在于，步骤1具体包括：
[0012]水下机器人在大地坐标下的位置量为其中，x、y和z是水下机器人的位置坐标，φ、θ和是水下机器人的姿态角度；
[0013]机体坐标系下，水下机器人的速度量为ν＝[μ υ ω p q r]T
；其中，μ、υ和ω为水下机器人的沿机体坐标轴的线速度，p、q和r是水下机器人绕机体坐标轴的角速度，方向满足右手螺旋定理；
[0014]为沿大地坐标轴的速度向量，与ν的转换关系：
[0015]对水下机器人运用动量与动量矩定理，建立如下的运动方程：
[0016][0017]其中，M(η)是模型的惯性矩阵，C(ν)是科氏力矩阵，D(ν)代表系统阻尼矩阵，g(η)是负浮力，τ
C
表示控制量；
[0018]系统(1)和系统(2)联立获得水下机器人动力学模型：
[0019][0020]其中，M
η
(η)＝J-T
(η)MJ-1
(η)，C
η
(ν,η)＝J-T
(η)[C(ν)-MJ-1
(η)]J-1
(η)，g
η
(η)＝J-T
(η)g(η)，D
η
(ν,η)＝J-T
(η)D(ν)J-1
(η)和τ
C
＝J-T
(η)τ。
[0021]本专利技术的进一步改进在于，步骤2中，所述水下机器人速度观测器包括：微分跟踪器和扩张状态观测器；
[0022]所述微分跟踪器为：
[0023][0024][0025]其中，R&gt;0是一个正值，f(
·
)满足如下约束：
[0026][0027][0028]f(z1(t),z2(t))＝-mz1(t)-2αz2(t)
[0029]所述扩张状态观测器为：
[0030][0031][0032]所述水下机器人速度观测器产生的速度观测值记为和二维速度迭代公式为：
[0033][0034][0035]本专利技术的进一步改进在于，步骤3中，所述水下机器人扰动观测器为：
[0036][0037][0038]其中，是d
j
(t)的估计，ξ
j
(t)是一个中间变量，k是一个正数，kl(e
λj
(t))是反馈增益系数矩阵；
[0039][0040]其中，π1和π2是两个系数，并且满足π1＞π2＞0；
[0041]反馈增益矩阵
[0042]本专利技术的进一步改进在于，步骤4中，所述水下机器人轨迹跟踪控制器为：
[0043][0044]其中，k
P
＞0是一个可调参数；j为第j个跟随者。
[0045]本专利技术的进一步改进在于，步骤4中，所述水下机器人位置控制器中，
[0046]x轴方向控制时，令
[0047]其中，是当前位置和目标位置的偏差，虑是当前的平移速度和目标平移速度，τ
1i
(t)是x轴方向的虚拟控制量；
[0048]位置子系统记为：
[0049]虚拟控制率τ
1i
(t)为：
[0050][0051]其中，α
1i
，k
1i
，l
1i
和β
1i
是四个可调的正参数。
[0052]本专利技术的进一步改进在于，步骤4的所述水下机器人位置控制器中，x、y、z轴方向控制方式相同。
[0053]本专利技术的一种基于微分跟踪器和扰动观测器的水下机器人轨迹控制系统，包括：
[0054]动力学模型获取模块，用于构建获得水下机器人动力学模型；
[0055]速度观测器获取模块，用于根据动力学模型获取模块获得的动力学模型，构建获得水下机器人速度观测器；
[0056]扰动观测器获取模块，用于根据动力学模型获取模块获得的动力学模型，构建获得水下机器人扰动观测器；
[0057]控制器获取模块，用于根据获得的水下机器人速度观测器和水下机器人扰动观测器，构建获得水下机器人轨迹跟踪控制器和水下机器人位置控制器；基于获得的水下机器人轨迹跟踪控制器和水下机器人位置控制器实现水下机器人轨迹控制。
[0058]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0059]本专利技术提出了一种基于微分跟踪器和扰动观测器的水下机器人轨迹控制方法，研究了用于水下机器人控制的轨迹规划控制器和位置跟踪控制器。首先，本专利技术设计了一种跟踪微分器，对由领航者和跟随者组成的水下机器人进行速度信号的生成；其次，专利技术设计
了一种扰动观测器，实时观测抑制位置扰动；最后，本专利技术基于领航者与跟随者之间的状态误差，利用非线性扰动观测器的轨迹跟踪控制器被设计，领航者与跟随者的位置控制器采用了反三角函数的饱和律。综上，本专利技术的方法利用基于扰动观测器的轨迹跟踪控制器，有效的抑制水下机器人的位置控制中的扰动，提高了轨迹跟踪系统的鲁棒本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于微分跟踪器和扰动观测器的水下机器人轨迹控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，构建获得水下机器人动力学模型；步骤2，基于步骤1获得的动力学模型，构建获得水下机器人速度观测器；步骤3，基于步骤1获得的动力学模型，构建获得水下机器人扰动观测器；步骤4，基于步骤2获得的水下机器人速度观测器和步骤3获得的水下机器人扰动观测器，构建获得水下机器人轨迹跟踪控制器和水下机器人位置控制器；基于获得的水下机器人轨迹跟踪控制器和水下机器人位置控制器实现水下机器人轨迹控制。2.根据权利要求1所述的一种基于微分跟踪器和扰动观测器的水下机器人轨迹控制方法，其特征在于，步骤1具体包括：水下机器人在大地坐标下的位置量为其中，x、y和z是水下机器人的位置坐标，φ、θ和是水下机器人的姿态角度；机体坐标系下，水下机器人的速度量为ν＝[μ υ ω p q r]
T
；其中，μ、υ和ω为水下机器人的沿机体坐标轴的线速度，p、q和r是水下机器人绕机体坐标轴的角速度，方向满足右手螺旋定理；为沿大地坐标轴的速度向量，与ν的转换关系：对水下机器人运用动量与动量矩定理，建立如下的运动方程：其中，M(η)是模型的惯性矩阵，C(ν)是科氏力矩阵，D(ν)代表系统阻尼矩阵，g(η)是负浮力，τ
C
表示控制量；系统(1)和系统(2)联立获得水下机器人动力学模型：其中，M
η
(η)＝J-T
(η)MJ-1
(η)，C
η
(ν,η)＝J-T
(η)[C(ν)-MJ-1
(η)]J-1
(η)，g
η
(η)＝J-T
(η)g(η)，D
η
(ν,η)＝J-T
(η)D(ν)J-1
(η)和τ
C
＝J-T
(η)τ。3.根据权利要求2所述的一种基于微分跟踪器和扰动观测器的水下机器人轨迹控制方法，其特征在于，步骤2中，所述水下机器人速度观测器包括：微分跟踪器和扩张状态观测器；所述微分跟踪器为：所述微分跟踪器为：其中，R&gt;0是一个正值，f(
·
)满足如下约束：)满足如下约束：f(z1(t),z2(t))＝-mz1(t)-...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙冲，成磊，朱战霞，
申请(专利权)人：西北工业大学深圳研究院，
类型：发明
国别省市：