【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及无人遥控潜水器姿态控制，特别是涉及一种结合受水动力影响的rov姿态稳定控制方法。
技术介绍
1、无人遥控潜水器（rov）是无人潜水的重要设备。由于rov具有安全、经济、高效和作业深度大等突出特点，在世界上得到了越来越广泛的应用。受风浪影响，rov的搭载平台不可避免的产生多自由度的运动，该运动对rov的正常作业产生消极影响，rov通过控制运动姿态的空间坐标削弱该影响。rov在轴向上的稳定通常由主动式升沉补偿系统（ahc）来实现，升沉补偿系统通过削弱rov与母船和作业平台之间的运动耦合，减少脐带缆的内部应力变化，从而使脐带缆对rov的拉力稳定，保证rov在轴向方向上的力学平衡。而对于rov水平方向上的姿态稳定，通常采用水平推进系统实现，通过控制推进电机的转速给rov提高不同的水平推进力，使rov可以移动到平面的任意位置。
2、rov的姿态稳定系统通常由多个驱动装置组成，为节省脐带缆的信道资源，利用事件触发机制减小各个子系统的开销，减轻信道资源的浪费，提升网络资源的利用率。随着电驱动海底机器人时代的到来，国内外多位学者在利用事件触发机制对rov分布式系统进行了研究，在rov姿态控制中加入事件触发机制进行输出优化是可取以及必要的。
技术实现思路
1、针对上述要解决的技术问题，本专利技术提供一种结合受水动力影响的rov姿态稳定控制方法，能够有效的完成控制任务，并且还存在很强的抗干扰能力。
2、为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：
4、步骤s1，根据船舶的6自由度运动生成船舶升沉运动时间序列，作为volterra自适应多步混沌预测算法以及rov干扰的输入；
5、步骤s2，基于欧拉-伯努利梁方程分析脐带缆涡激振动响应，再通过计算涡流引起的振动产生的总变形变量，得到涡激振动对载荷的动态影响；
6、步骤s3，搭建rov姿态动力学模型：利用刚体动力学对rov姿态进行建模，结合船舶-脐带缆-rov多体系统以及脐带缆涡激振动响应和rov在水下的水动力构建三维rov姿态动力学模型；
7、步骤s4，根据rov姿态动力学模型采用基于volterra自适应多步预测算法预测船舶的升沉运动，再基于事件触发机制的rov空间坐标稳定控制方法，采用反步控制和滑模控制，并加入事件触发机制优化rov运动的控制输出；获得rov运动姿态稳定输出。
8、作为上述技术方案地进一步改进为：
9、优选地，所述步骤s1中，船舶的6自由度运动学方程为：
10、；
11、其中，和分别是质量矩阵和附加质量矩阵；是船舶运动的位移；为船舶运动的速度，为船舶运动的加速度，是阻尼矩阵；为静水恢复矩阵；为系泊系统的恢复力矩阵；为风提供的力；为作用在船上的波浪力。
12、优选地，所述步骤s2中涡激振动对载荷的动态影响，具体为：
13、根据变分原理，脐带缆的欧拉-伯努利梁方程为：
14、；
15、其中，脐带缆的弯曲刚度，为脐带缆-船舶连接处的应力，为附加质量系数，为脐带缆的单位面积质量，为阻尼系数，为缆绳所受水动力，为脐带缆的纵向速度，为脐带缆的轴向位移，为时间变量；
16、涡激振动对rov的干扰计算公式为：
17、；
18、其中，为脐带缆涡激振动响应位移，为脐带缆的振幅，为脐带缆的长度。
19、优选地，所述步骤s3中，rov姿态动力学模型为三个方向，纵向动力学方程为：
20、；
21、横向动力学方程为：
22、；
23、轴向动力学方程为：
24、；
25、其中，为负载质量，是荷载重心的纵向坐标，为rov纵向位移，为rov纵向速度，为rov横向位移，为rov横向速度，为绕轴向转动的角度，绕轴向转动的角加速度，是从负载侧映射到平面的面积，为rov纵向位移，为海水阻力系数，是负载升力系数，和是荷载在纵向和横向上的控制力；是负载横向振动模式，和为额外干扰，为轴向加速度，为负载的半径，为脐带缆的杨氏模量，为脐带缆的长度，为用于升沉补偿控制的吊机高度，为船舶运动的位移，为脐带缆涡激振动响应位移，为轴向位移，为负载的水阻力系数。
26、优选地，所述步骤s4中，首先对三个方向中升沉方向的升沉补偿系统的时滞进行预测，得到船舶升沉运动的超前预测量，升沉补偿系统对预测量进行补偿保证船舶与负载的位移同步；然后设计事件触发机制，定义事件在位移发生偏差时触发；根据补偿误差设计rov姿态控制器，控制器使用是滑模控制策略，在姿态位移控制器中引入事件触发机制，该机制能够在姿态调节过程中根据事件触发条件触发，更新控制器的控制律，控制过程事件触发条件的更新是通过误差变量进行定义，所述触发条件与预测的船舶的位移，升沉补偿位移和rov在z方向上的涡激振动水动力有关。
27、优选地，所述船舶升沉运动的预测量采用基于volterra自适应多步预测算法计算，具体为：
28、在时刻得到船舶升沉运动的超前预测量，得到加入预测算法后的升沉补偿系统方程：
29、；
30、其中，为状态方程，为子系统之间的关联影响，为未知参数，为扰动项，为控制输入，和为状态变量系数，，；volterra自适应多步混沌预测算法得到的为在时刻的解，定义升沉补偿系统的实际跟踪轨迹误差为，其导数为：
31、
32、其中，为子系统之间的关联影响，为未知参数，为扰动项，为控制输入。
33、本专利技术提供的结合受水动力影响的rov姿态稳定控制方法，与现有技术相比，有以下优点：
34、（1）本专利技术的结合受水动力影响的rov姿态稳定控制方法，首先，通过刚体运动规律并加入海风和海浪模型模拟不同海况下船舶运动，为volterra自适应多步混沌预测算法以及rov在轴向上的干扰提供输入；volterra自适应多步混沌预测算法比传统的最大lyapunov混沌预测算法在训练时间以及精度上具有明显优势；并结合rov的水动力搭建了rov三维状态方程。
35、（2）本专利技术的结合受水动力影响的rov姿态稳定控制方法，事件触发机制在不降低基础控制策略性能的情况下优化了控制律的输出，提高了控制输出宽带利用率，有效节约了宽带资源。被控系统控制律的更新时刻由事件触发条件决定，在控制律的变化率大的时间段内更新周期大，升沉补偿系统的控制律更新的事件触发时间间隔与升沉位移变化趋势一致，升沉姿态仅在事件触发机制下调节，有效节约了资源。所有事件触发时间间隔严格大于0，不存在zeno行为。由于事件触发条件中误差的约束，本专利技术设计的事件触发机制提高了被控系统的抗干扰能力。
本文档来自技高网...【技术保护点】
1.一种结合受水动力影响的ROV姿态稳定控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的结合受水动力影响的ROV姿态稳定控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，船舶的6自由度运动学方程为：
3.根据权利要求2所述的结合受水动力影响的ROV姿态稳定控制方法，其特征在于，所述步骤S2中涡激振动对载荷的动态影响，具体为：
4.根据权利要求3所述的结合受水动力影响的ROV姿态稳定控制方法，其特征在于，所述步骤S3中，ROV姿态动力学模型为三个方向，纵向动力学方程为：
5.根据权利要求4所述的结合受水动力影响的ROV姿态稳定控制方法，其特征在于，所述步骤S4中，首先对三个方向中升沉方向的升沉补偿系统的时滞进行预测，得到船舶升沉运动的超前预测量，升沉补偿系统对预测量进行补偿保证船舶与负载的位移同步；然后设计事件触发机制，定义事件在位移发生偏差时触发；根据补偿误差设计ROV姿态控制器，控制器使用的是滑模控制策略，在姿态位移控制器中引入事件触发机制，该机制能够在姿态调节过程中根据事件触发条件触发，更新控制器的控制律，控制过程事件触发
6.根据权利要求5所述的结合受水动力影响的ROV姿态稳定控制方法，其特征在于，所述船舶升沉运动的预测量采用基于Volterra自适应多步预测算法计算，具体为：
...【技术特征摘要】
1.一种结合受水动力影响的rov姿态稳定控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的结合受水动力影响的rov姿态稳定控制方法，其特征在于，所述步骤s1中，船舶的6自由度运动学方程为：
3.根据权利要求2所述的结合受水动力影响的rov姿态稳定控制方法，其特征在于，所述步骤s2中涡激振动对载荷的动态影响，具体为：
4.根据权利要求3所述的结合受水动力影响的rov姿态稳定控制方法，其特征在于，所述步骤s3中，rov姿态动力学模型为三个方向，纵向动力学方程为：
5.根据权利要求4所述的结合受水动力影响的rov姿态稳定控制方法，其特征在于，所述步骤s4中，首先对三个方向中升沉...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈娟，蒋来，王卫军，袁超，陈超洋，陈世强，
申请(专利权)人：湖南科技大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。