申请/专利权人：南通大学

申请日：2023-05-30

公开（公告）日：2024-04-12

公开（公告）号：CN116540723B

主分类号：G05D1/43

分类号：G05D1/43

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.12#授权;2023.08.22#实质审查的生效;2023.08.04#公开

摘要：本发明提供了一种基于人工势场的水下机器人滑模轨迹跟踪控制方法，属于水下机器人轨迹跟踪控制技术领域。解决了水下机器人在水下检修控制过程中受水流冲击和动态障碍物而导致的路径跟踪与姿态不稳定的问题。其技术方案为：包括以下步骤：S1、建立机器人运动学模型；S2、确定目标位置，确定到达目标位置的运动轨迹；S3、设计双闭环滑模控制器，设计双闭环控制率；S4、根据公式对进行姿态和位置解算，通过上位机向主控制器模块发送控制指令，控制水下机器人达到期望位置。本发明的有益效果为：在面对干扰和障碍物时，有较好的鲁棒性，维持水下检修机器人的稳定，实现了精准的姿态位置控制，以确保能够在水下顺利作业，完成目标任务。

主权项：1.一种基于人工势场的水下机器人滑模轨迹跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、根据传感器系统模块感知水下环境，获取水下环境信息，获取水下机器人的状态并进行检测，获取机体姿态的欧拉角与位置参数，建立机器人运动学模型；步骤S1具体为：得到水下机器人平动、转动的动力学方程： η′＝Jηv其中，M为惯性矩阵，m＝6，v∈Rm表示水下机器人的速度向量，v′∈Rm表示水下机器人的加速度向量，Cv为科氏力和向心力矩阵，Dv为水动力矩阵，gη为恢复力和力矩向量，表示水下机器人的位置和姿态向量，η′对水下机器人的位置和姿态向量求导，T表示6个推进器的控制分配矩阵，τj∈RN，N＝6表示第j个推进器的控制输出推力，Jη为转换矩阵，N为执行机构个数；S2、基于人工势场算法，确定目标位置，确定到达目标位置的运动轨迹，采用差分进化算法达到了轨迹优化的目的；步骤S2具体为：根据当前机器人的位置和速度，结合障碍物的位置和速度以及所期望的目标位置，确定达到期望目标位置的运动路径，基于人工势场算法，机器人同时受到目标点的引力和障碍物的斥力，其所受合力表达式为：Fη＝Fyη+∑Frη其中，向量Fyη为当前位置机器人所受目标的引力，方向由水下机器人质心指向目标点；向量Frη为受到障碍物的斥力，方向由障碍物质心指向水下机器人的质心；Fη为机器人所受到的合力，示水下机器人的位置和姿态向量；设当前第i采样时刻的矢量坐标和步长为ηi和σ，则机器人下一点坐标为 按此搜索，得水下机器人到达目标点的参考轨迹，采用差分进化算法，对参考轨迹进行优化，由于此差分进化算法为离散型算法，故对人工势场算法中所求出的运动轨迹式进行间隔采样，采样间隔时间为得到离散型参考轨迹为： 其中，表示在时刻对于ητ的采样值，i=1，2，...，n-1； 其中，表示修正角度，k表示差分进化第k次迭代，为参考轨迹的偏差；n为大于0的正整数，表示在时刻对于ητ的采样值，i=1，2，...，n-1；S3、选择滑模变量，设计双闭环滑模控制器，设计双闭环控制率，构建Lyapunov函数进行稳定性分析；步骤S3具体为：对位置状态构建外环积分控制器，定义外环滑模函数为sv，以水下机器人的位置和姿态向量作为虚拟控制输入量，设计其期望值ηd，使得当η=ηd时对期望位置状态量进行无静差跟踪控制，设计外环滑模函数为sv： 其中：k1为增益矩阵，值为ηe为水下机器人的位置状态量跟踪误差，ηe＝η-ηd，考虑内环控制律的设计与分析，当ve→0，存在接近于0实数ε＞0；ve为水下机器人的速度量跟踪误差；设计双闭环控制器的外环积分控制器的虚拟控制率为：vd＝ηd′+k1ηe+ρ1sgnsv其中，ηd′为期望值ηd的导数；定义Lyapunov函数为 其中，为Sv的转置矩阵；求导得 其中，外环控制参ρ1||ε||，满所设计的双闭环控制器的外环积分控制器满足稳定性条件；内环为速度环，将外环控制率的输出作为内环的速度指令，设计其期望值为外环积分控制器的虚拟控制率vd，定义内环滑模面为： 式中k2为增益矩阵，其值ve为水下机器人的速度量跟踪误差，其中ve＝vd-v；设计双闭环控制器的控制率τ为：τ＝Mvd′+k2ve+Cvv′+Dvv′+gη+μSn+ρ2sgnsn其中μ＞0，内环控制率ρ2＞||gη||，vd′为外环积分控制器的虚拟控制率vd的导数；定义Lyapunov函数为： 其中，为Sv的转置矩阵；求导得 所设计的双闭环控制器的内环控制器满足稳定性条件；S4、对推进器所提供的推力分配向量进行解算，根据推力公式对推进器进行姿态和位置解算，通过上位机向主控制器模块发送控制指令，控制水下机器人达到期望位置。

全文数据：

权利要求：

百度查询： 南通大学 一种基于人工势场的水下机器人滑模轨迹跟踪控制方法

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