一种基于全阶终端滑模的船载机械手末端轨迹跟踪协调控制方法技术

本发明专利技术提供一种基于全阶终端滑模的船载机械手末端轨迹跟踪协调控制方法，包括：构建船载机械手数学模型；基于所述船载机械手数学模型结合环境干扰信号获取三自由度无人船运动模型；对所述船载机械手数学模型和三自由度无人船运动模型受到的不确定干扰进行整合，获得最终的船载机械手动力学模型；基于所述船载机械手动力学模型设计基于FOTSM的轨迹跟踪控制器，包括设计基于FOTSM的无人船子系统轨迹跟踪控制器和基于FOTSM的机械手子系统轨迹跟踪控制器；应用获得的无人船子系统轨迹跟踪控制器和机械手子系统轨迹跟踪控制器对船载机械手进行跟踪控制。本发明专利技术可以有效反映系统的完整动态，并保证两个子系统之间的协调性和有限时间稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于全阶终端滑模的船载机械手末端轨迹跟踪协调控制方法
本专利技术涉及船载机械手末端轨迹跟踪协调控制技术，具体而言，尤其涉及一种基于全阶终端滑模的船载机械手末端轨迹跟踪协调控制方法。
技术介绍
精确的跟踪控制算法依赖科学的系统模型，针对水面无人船与串联机械手的模型特性，需要参考科学的建模方法，并考虑该结构区别于一般移动式机械手模型的特征。传统的移动机械手控制思路是将移动平台和机械手系统视为两个分立的子系统，当移动平台运动时，机械手作为静态负载，移动平台运动到某目标点后固定下来，控制机械手运动从而跟踪末端的目标轨迹。这种独立建模与控制方法忽略了两个结构之间的关联与协调性。船载机械手是将机械手安装在水面无人船(USV)上的一种新型移动式机械手的应用，一般移动式机械手是以移动平台和多关节机械手组成的集成机器人，目前应用较为广泛的移动式机械手领域主要分布于地面、水下和空间，而水面无人船是一种智能水面机器人，具有运动灵活、自主性高的优势。船载机械手结合了二者的优势，可以实现特殊水域目标跟踪、抓取等繁琐的、复杂的甚至危险的任务，极大地扩展了水面无人船的任务空间与实际功能。作为一种非线性多智能体组合，因为模型的特殊性和子系统间的强耦合动力学问题，阻碍了船载机械手末端的轨迹跟踪控制的发展和应用。
技术实现思路
根据上述提出的控制模型与子系统间存在强耦合的技术问题，而提供一种基于全阶终端滑模的船载机械手末端轨迹跟踪协调控制方法。本专利技术可以有效反映系统的完整动态，并保证两个子系统之间的协调性和有限时间稳定性。本专利技术采用的技术手段如下：一种基于全阶终端滑模的船载机械手末端轨迹跟踪协调控制方法，包括：构建船载机械手数学模型；基于所述船载机械手数学模型，获取惯性坐标系下的旋转矩阵、船舶模型的惯性矩阵、科里利奥向心力矩阵和阻尼矩阵，结合环境干扰信号获取三自由度无人船运动模型；对所述船载机械手数学模型和三自由度无人船运动模型受到的不确定干扰进行整合，获得最终的船载机械手动力学模型；基于所述船载机械手动力学模型设计基于FOTSM的轨迹跟踪控制器，包括设计基于FOTSM的无人船子系统轨迹跟踪控制器和基于FOTSM的机械手子系统轨迹跟踪控制器；应用获得的无人船子系统轨迹跟踪控制器和机械手子系统轨迹跟踪控制器对船载机械手进行跟踪控制。进一步地，所述构建船载机械手数学模型，包括：以全驱动水面无人船为移动基座，在质心位置装载三自由度机械臂；考虑惯性坐标系下，以无人船质心为原点建立第一体坐标系，并分别以机械臂的肩、大臂和小臂关节为原点分别建立第二体坐标系、第三体坐标系和第四体坐标系；根据刚体D-H变换法则与牛顿-欧拉迭代法则，基于所述第一体坐标系，第二体坐标系、第三体坐标系和第四体坐标系得到船载机械手完整的数学模型。进一步地，所述设计基于FOTSM的无人船子系统轨迹跟踪控制器，包括：基于包含外界干扰与耦合非线性的复合扰动变量对对无人船子系统进行变形；设计有限时间扰动观测器以实现对复合扰动的精确估计；对无人船子系统的耦合误差进行镇定，所述耦合误差基于惯性坐标系下的位置和速度跟踪误差确定；定义全阶终端滑模面以保证在控制器中不存在带有分数次幂项的状态量导数，且系统可以在有限时间内达到抗干扰稳定；基于所述全阶终端滑模面获取基于全阶终端滑模的轨迹跟踪控制器。进一步地，所述设计基于FOTSM的机械手子系统轨迹跟踪控制器，包括：获取机械手子系统一阶逆运动学虚拟关节角速度作为参考信号，对械手数学模型进行变形；设计有限时间扰动观测器以实现对复合扰动的精确估计；对机械手子系统的耦合误差进行镇定，所述耦合误差基于状态误差变量与耦合跟踪误差变量确定；定义全阶终端滑模面以保证滑动模面的连续性；基于扰动观测器，设计机械手全阶终端滑模控制器。较现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1、本专利技术在建立船载机械手模型的基础上，提出了一种基于全阶终端滑模的轨迹跟踪控制策略，分别控制无人船与机械手两个系统，实现各系统耦合轨迹跟踪误差的有限时间收敛。2、本专利技术结合为机械手子系统提出的逆运动学虚拟输入，可以实现子系统之间的协调运动。针对系统受到的复合扰动，设计有限时间扰动观测器来进行精确观测。相比于传统的移动机械手独立控制策略，本文所提出的协调控制方法更好地体现了两个结构的关联性，具有实际意义。相比于传统的滑模控制方法，本专利技术所提出的全阶终端滑模控制方法具有有限时间稳定性，克服了收敛时间较长与滑模抖振的缺点。通过仿真实验验证了所提方法的有效性，可以为后期船载机械手的实物研究提供一定理论支撑。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术跟踪协调控制方法流程图。图2为实施例中无人船轨迹跟踪效果图。图3为实施例中无人船位置与航向角跟踪误差效果图。图4为实施例中无人船速度跟踪误差效果图。图5为实施例中无人船所受扰动观测效果图。图6为实施例中无人船耦合误差效果图。图7为实施例中船载机械手末端轨迹跟踪效果图。图8为实施例中船载机械手末端空间位置跟踪效果图。图9为实施例中机械手关机角速度跟踪效果图。图10为实施例中机械手所受扰动观测效果图。图11为实施例中机械手耦合误差效果图。具体实施方式为了使本
的人员更好地理解本专利技术方案，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本专利技术保护的范围。需要说明的是，本专利技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本专利技术的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。本文建立了船载机械手系统完整的动力学模型与末端执行器运动学表达式，考虑了机械手与无人船平台之间的动力学耦合和受到的外界干扰。在此基础上，提出了一种基于全阶终端滑模的轨迹跟踪协调控制策略，并设计有限时间扰动观测器对复合扰动部分进行观测，这种控制方法可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于全阶终端滑模的船载机械手末端轨迹跟踪协调控制方法，其特征在于，包括：/n构建船载机械手数学模型；/n基于所述船载机械手数学模型，获取惯性坐标系下的旋转矩阵、船舶模型的惯性矩阵、科里利奥向心力矩阵和阻尼矩阵，结合环境干扰信号获取三自由度无人船运动模型；/n对所述船载机械手数学模型和三自由度无人船运动模型受到的不确定干扰进行整合，获得最终的船载机械手动力学模型；/n基于所述船载机械手动力学模型设计基于FOTSM的轨迹跟踪控制器，包括设计基于FOTSM的无人船子系统轨迹跟踪控制器和基于FOTSM的机械手子系统轨迹跟踪控制器；/n应用获得的无人船子系统轨迹跟踪控制器和机械手子系统轨迹跟踪控制器对船载机械手进行跟踪控制。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于全阶终端滑模的船载机械手末端轨迹跟踪协调控制方法，其特征在于，包括：
构建船载机械手数学模型；
基于所述船载机械手数学模型，获取惯性坐标系下的旋转矩阵、船舶模型的惯性矩阵、科里利奥向心力矩阵和阻尼矩阵，结合环境干扰信号获取三自由度无人船运动模型；
对所述船载机械手数学模型和三自由度无人船运动模型受到的不确定干扰进行整合，获得最终的船载机械手动力学模型；
基于所述船载机械手动力学模型设计基于FOTSM的轨迹跟踪控制器，包括设计基于FOTSM的无人船子系统轨迹跟踪控制器和基于FOTSM的机械手子系统轨迹跟踪控制器；
应用获得的无人船子系统轨迹跟踪控制器和机械手子系统轨迹跟踪控制器对船载机械手进行跟踪控制。


2.根据权利要求1所述的基于全阶终端滑模的船载机械手末端轨迹跟踪协调控制方法，其特征在于，所述构建船载机械手数学模型，包括：
以全驱动水面无人船为移动基座，在质心位置装载三自由度机械臂；
考虑惯性坐标系下，以无人船质心为原点建立第一体坐标系，并分别以机械臂的肩、大臂和小臂关节为原点分别建立第二体坐标系、第三体坐标系和第四体坐标系；
根据刚体D-H变换法则与牛顿-欧拉迭代法则，基于所述第一体坐标系，第二体坐标系、第三体坐标系和第四体坐标...

【专利技术属性】
技术研发人员：余明裕，潘婷，王宁，王准，李芊莹，王云池，李琳，张良杰，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21