[發明專利]基于微分跟蹤器和擾動觀測器的水下機器人軌跡控制方法及系統有效
| 申請號: | 202011210704.3 | 申請日: | 2020-11-03 |
| 公開(公告)號: | CN112286227B | 公開(公告)日: | 2022-03-18 |
| 發明(設計)人: | 孫沖;成磊;朱戰霞 | 申請(專利權)人: | 西北工業大學;西北工業大學深圳研究院 |
| 主分類號: | G05D1/10 | 分類號: | G05D1/10 |
| 代理公司: | 西安通大專利代理有限責任公司 61200 | 代理人: | 李紅霖 |
| 地址: | 710072 陜西*** | 國省代碼: | 陜西;61 |
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| 摘要: | |||
| 搜索關鍵詞: | 基于 微分 跟蹤 擾動 觀測器 水下 機器人 軌跡 控制 方法 系統 | ||
1.一種基于微分跟蹤器和擾動觀測器的水下機器人軌跡控制方法,其特征在于,包括以下步驟:
步驟1,構建獲得水下機器人動力學模型;
步驟2,基于步驟1獲得的動力學模型,構建獲得水下機器人速度觀測器;
步驟3,基于步驟1獲得的動力學模型,構建獲得水下機器人擾動觀測器;
步驟4,基于步驟2獲得的水下機器人速度觀測器和步驟3獲得的水下機器人擾動觀測器,構建獲得水下機器人軌跡跟蹤控制器和水下機器人位置控制器;基于獲得的水下機器人軌跡跟蹤控制器和水下機器人位置控制器實現水下機器人軌跡控制;
其中,步驟1具體包括:
水下機器人在大地坐標下的位置量為其中,x、y和z是水下機器人的位置坐標,φ、θ和是水下機器人的姿態角度;
機體坐標系下,水下機器人的速度量為ν=[μ υ ω p q r]T;其中,μ、υ和ω為水下機器人的沿機體坐標軸的線速度,p、q和r是水下機器人繞機體坐標軸的角速度,方向滿足右手螺旋定理;
為沿大地坐標軸的速度向量,與ν的轉換關系:
對水下機器人運用動量與動量矩定理,建立如下的運動方程:
其中,M(η)是模型的慣性矩陣,C(ν)是科氏力矩陣,D(ν)代表系統阻尼矩陣,g(η)是負浮力,τC表示控制量;
系統(1)和系統(2)聯立獲得水下機器人動力學模型:
其中,Mη(η)=J-T(η)MJ-1(η),Cη(ν,η)=J-T(η)[C(ν)-MJ-1(η)]J-1(η),gη(η)=J-T(η)g(η),Dη(ν,η)=J-T(η)D(ν)J-1(η)和τC=J-T(η)τ;
步驟2中,所述水下機器人速度觀測器包括:微分跟蹤器和擴張狀態觀測器;
所述微分跟蹤器為:
其中,R0是一個正值,f(·)滿足如下約束:
f(z1(t),z2(t))=-mz1(t)-2αz2(t)
所述擴張狀態觀測器為:
所述水下機器人速度觀測器產生的速度觀測值記為和二維速度迭代公式為:
;
步驟3中,所述水下機器人擾動觀測器為:
其中,是dj(t)的估計,ξj(t)是一個中間變量,k是一個正數,kl(eλj(t))是反饋增益系數矩陣;
其中,π1和π2是兩個系數,并且滿足π1>π2>0;
反饋增益矩陣;
步驟4中,所述水下機器人軌跡跟蹤控制器為:
其中,kP>0是一個可調參數;j為第j個跟隨者;
步驟4中,所述水下機器人位置控制器中,
x軸方向控制時,令
其中,是當前位置和目標位置的偏差,是當前的平移速度和目標平移速度的偏差,τ1i(t)是x軸方向的虛擬控制量;
位置子系統記為:
虛擬控制率τ1i(t)為:
其中,α1i,k1i,l1i和β1i是四個可調的正參數。
2.根據權利要求1所述的一種基于微分跟蹤器和擾動觀測器的水下機器人軌跡控制方法,其特征在于,步驟4的所述水下機器人位置控制器中,x、y、z軸方向控制方式相同。
3.一種基于微分跟蹤器和擾動觀測器的水下機器人軌跡控制系統,其特征在于,基于權利要求1所述的方法,所述系統包括:
動力學模型獲取模塊,用于構建獲得水下機器人動力學模型;
速度觀測器獲取模塊,用于根據動力學模型獲取模塊獲得的動力學模型,構建獲得水下機器人速度觀測器;
擾動觀測器獲取模塊,用于根據動力學模型獲取模塊獲得的動力學模型,構建獲得水下機器人擾動觀測器;
控制器獲取模塊,用于根據獲得的水下機器人速度觀測器和水下機器人擾動觀測器,構建獲得水下機器人軌跡跟蹤控制器和水下機器人位置控制器;基于獲得的水下機器人軌跡跟蹤控制器和水下機器人位置控制器實現水下機器人軌跡控制。
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