本發(fā)明涉及水下機(jī)器人控制，具體地說，是涉及一種用于水下機(jī)器人艏搖姿態(tài)控制器的求解方法。

背景技術(shù)：

1、水下機(jī)器人是關(guān)鍵的海洋探索工具。隨著水下探索和作業(yè)需求的不斷增長，科學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域?qū)λ聶C(jī)器人的姿態(tài)調(diào)控技術(shù)提出了更高的要求。尤其是在擾動(dòng)作用下的先進(jìn)控制器研究方面，需求更為迫切。提升水下機(jī)器人控制性能可以改善其在擾動(dòng)作用下的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。這類技術(shù)不僅可以提升常規(guī)潛水器的運(yùn)動(dòng)性能，提升駕駛員的舒適性和操作精度，還能輔助rov（水下機(jī)器人）駕駛員提高作業(yè)精度和效率，或優(yōu)化auv（無纜水下機(jī)器人）的控制，減少非期望的運(yùn)動(dòng)，從而降低多傳感器圖像拼接重建時(shí)的計(jì)算難度等。

2、由于海洋環(huán)境復(fù)雜多變，水下機(jī)器人設(shè)計(jì)成為一個(gè)典型的多學(xué)科交叉研究領(lǐng)域。尤其在相關(guān)建模和控制設(shè)計(jì)方面，由于其科學(xué)問題的復(fù)雜性，建模和控制技術(shù)發(fā)展略有不足。現(xiàn)有控制技術(shù)的短板影響了高性能水下機(jī)器人的發(fā)展。因此，本發(fā)明從水下機(jī)器人的艏搖姿態(tài)控制器的求解問題入手，提出了水下機(jī)器人魯棒控制器的創(chuàng)新求解思路。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明提出一種用于水下機(jī)器人艏搖姿態(tài)控制器的求解方法，采用固定結(jié)構(gòu)約束魯棒控制策略，確保控制系統(tǒng)對模型不確定性和外部干擾具有魯棒性的同時(shí)，有效降低控制器的階數(shù)，使其在物理上更易于實(shí)現(xiàn)，在保證系統(tǒng)魯棒性的同時(shí)簡化了控制器的實(shí)現(xiàn)；本發(fā)明采用區(qū)間分析理論將控制求解轉(zhuǎn)變?yōu)槿謨?yōu)化計(jì)算，解決了傳統(tǒng)線性矩陣不等式和黎卡提方法無法求解給定控制器結(jié)構(gòu)約束的魯棒綜合求解難題；本發(fā)明可在全局優(yōu)化問題中直接得到兼具魯棒性和簡潔性的低階機(jī)器人艏搖姿態(tài)控制器，更利于控制器工程實(shí)現(xiàn)。

2、本發(fā)明提出一種用于水下機(jī)器人艏搖姿態(tài)控制器的求解方法，包括：

3、s1，建立水下機(jī)器人多自由度運(yùn)動(dòng)模型；包括：

4、，

5、其中，為慣性矩陣，為附加質(zhì)量矩陣，為阻尼矩陣，是水下機(jī)器人回復(fù)力；位姿向量為大地坐標(biāo)系下機(jī)器人的位置和角度分量，速度向量為體坐標(biāo)系下定義的線速度和角速度分量；為力和力矩分量組成的推力向量；為外部環(huán)境作用產(chǎn)生的推力向量，為推進(jìn)器產(chǎn)生的推力向量；位姿向量?和速度向量?在體坐標(biāo)和大地坐標(biāo)上的變換關(guān)系矩陣矩陣為：

6、；

7、由線速度旋轉(zhuǎn)矩陣和角速度旋轉(zhuǎn)矩陣組成，分別定義為：

8、，

9、；

10、s2，估計(jì)模型參數(shù)，提取艏搖方向模型作為控制對象；包括：

11、使用數(shù)值計(jì)算工具估計(jì)水下機(jī)器人的慣性矩陣、附加質(zhì)量矩陣和阻尼矩陣，具體包括：

12、（1）使用機(jī)械設(shè)計(jì)工具確認(rèn)水下機(jī)器人的重心位置，計(jì)算質(zhì)量和慣量參數(shù)，定義?為質(zhì)心到體坐標(biāo)原點(diǎn)之間的向量，可推得剛體慣性矩陣：

13、；

14、（2）水動(dòng)力作用表述為:-,對于小型零浮力水下機(jī)器人可忽略回復(fù)力和科式力；使用數(shù)值計(jì)算工具切割機(jī)器人表面為三角形或四邊形微元，根據(jù)切片計(jì)算結(jié)果推得水下機(jī)器人的附加質(zhì)量矩陣；

15、（3）忽略高于二階的阻尼項(xiàng)，劃分為線性阻尼和二次型阻尼兩部分，使用計(jì)算流體軟件ansys-cfx或star-ccm+計(jì)算水下機(jī)器人多自由度阻尼力和力矩參數(shù)；提取艏搖方向模型：

16、；

17、其中，為剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為附加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為非線性阻尼系統(tǒng)數(shù)，為線性阻尼系數(shù)，為艏搖角速度，為推進(jìn)器產(chǎn)生的力矩；

18、s3，線性化艏搖方向模型，并得到被控對象及不確定性參數(shù)界；包括：

19、根據(jù)水動(dòng)力計(jì)算結(jié)果在上構(gòu)造一個(gè)補(bǔ)償力矩，有：

20、；

21、式中，是進(jìn)行非線性補(bǔ)償后的預(yù)期線性阻尼系數(shù)，和分別為計(jì)算流體軟件所估計(jì)出的線性和非線性阻尼系數(shù)；阻尼參數(shù)的流體軟件估計(jì)結(jié)果與真實(shí)阻尼結(jié)果的誤差為；的選取要保證推進(jìn)器的補(bǔ)償輸出盡可能小，，由此推得被控對象為：

22、；

23、控制器設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)及其裕量合理設(shè)定不確定性參數(shù)邊界；

24、s4，選擇設(shè)計(jì)魯棒控制器的結(jié)構(gòu)約束條件；包括：

25、采用表示滿足結(jié)構(gòu)約束條件的所有可行控制器構(gòu)成的集合，則魯棒控制器應(yīng)使得所有帶不確定參數(shù)的模型均能滿足穩(wěn)定性條件：

26、；

27、采用區(qū)間分析工具求解在不確定參數(shù)集作用下的最壞情況對應(yīng)的范數(shù)，進(jìn)而求得滿足魯棒約束條件的結(jié)構(gòu)化控制器：

28、根據(jù)上述思路，是控制綜合過程中需要優(yōu)化求解的目標(biāo)對象，自由選取約束條件，確定控制參數(shù)及其作用關(guān)系，控制器進(jìn)一步表示為；評價(jià)輸入到評價(jià)輸出之間的傳遞函數(shù)矩陣增加結(jié)構(gòu)約束信息，即；是矩陣傳遞函數(shù)元素中取得某一輸入到輸出方向上增益極值的結(jié)果；結(jié)構(gòu)約束通過可變參數(shù)直接影響閉環(huán)系統(tǒng)性能，系統(tǒng)性能指標(biāo)也變?yōu)榭臻g中一個(gè)隨參數(shù)變化的傳遞函數(shù)矩陣，其傳遞函數(shù)中的分子分母多項(xiàng)式均會(huì)隨著參數(shù)變化：

29、；

30、將mimo系統(tǒng)的范數(shù)拆解為個(gè)獨(dú)立的miso系統(tǒng)的范數(shù)進(jìn)行約束求解，考慮到范數(shù)定義有：

31、；

32、再考慮，

33、則使閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的控制器需要滿足下列目標(biāo)：

34、，

35、因?yàn)椋?，問題簡化為：

36、，

37、對于標(biāo)準(zhǔn)線性系統(tǒng)來說，可根據(jù)勞斯赫爾維茨穩(wěn)定性判據(jù)構(gòu)造出個(gè)帶參數(shù)的不等式；由此，結(jié)構(gòu)約束魯棒控制綜合問題表述為：

38、；

39、s5，采用區(qū)間分析理論進(jìn)行全局優(yōu)化計(jì)算；

40、s6，計(jì)算收斂得到控制器參數(shù)結(jié)果。

41、在本發(fā)明一些實(shí)施例中，步驟s4具體包括：

42、考慮在不確定參數(shù)集作用下的最壞情況范數(shù)表示為，按照最壞性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可知，

43、；

44、考慮水下機(jī)器人的不確定性參數(shù)向量，則結(jié)構(gòu)約束魯棒控制器求解問題可以表示為：

45、；

46、其中，為勞斯赫爾維茨判據(jù)導(dǎo)出的魯棒穩(wěn)定性約束不等式，為所有滿足結(jié)構(gòu)約束控制器所構(gòu)成的集合。

47、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是：本發(fā)明提出的用于水下機(jī)器人艏搖姿態(tài)控制器的求解方法，首先建立水下機(jī)器人多自由度模型，采用數(shù)值計(jì)算工具估計(jì)模型參數(shù)，提取艏搖方向模型作為控制對象，并線性化艏搖方向模型，得到被控對象及不確定性參數(shù)界，選擇設(shè)計(jì)魯棒控制器的結(jié)構(gòu)約束條件，采用區(qū)間分析理論進(jìn)行全局優(yōu)化計(jì)算，最后收斂得到控制器參數(shù)結(jié)果；本發(fā)明采用固定結(jié)構(gòu)約束魯棒控制策略，確保了控制系統(tǒng)對模型不確定性和外部干擾具有魯棒性的同時(shí)，有效降低控制器的階數(shù)，使其在物理上更易于實(shí)現(xiàn)；本發(fā)明采用的區(qū)間分析理論將控制求解轉(zhuǎn)變?yōu)槿謨?yōu)化計(jì)算，解決了傳統(tǒng)線性矩陣不等式和黎卡提方法無法求解給定控制器結(jié)構(gòu)約束的魯棒綜合求解難題；本發(fā)明還可在全局優(yōu)化問題中直接得到兼具魯棒性和簡潔性的低階機(jī)器人艏搖姿態(tài)控制器，更利于控制器工程實(shí)現(xiàn)。

48、結(jié)合附圖閱讀本發(fā)明實(shí)施方式的詳細(xì)描述后，本發(fā)明的其他特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將變得更加清楚。