不确定参数条件下水下机器人的定深和轨迹跟踪控制方法研究

摘要

自主水下机器人在探索海洋，科学和军事任务中扮演着重要的角色。水下机器人系统具有非线性动力学，环确定参数以及强耦合的特征，使得水下机器人的建模和控制成为具有挑战性的任务。本文针对具有的参数未知、外界干扰和死区输入的不确定参数水下机器人系统，进行先进控制算法的研究，实现水下机器人的垂直定深控制和水平面内的轨迹跟踪控制。具体内容如下:
　　建立惯性坐标系和体坐标系，给出水下机器人的六自由度运动学和动力学模型。将六自由度的水下机器人模型解耦，得到垂直面和水平面的三自由度控制模型。针对具有参数不确定性和外界干扰的水下机器人定深控制问题，提出了一种自适应模糊滑模控制器。利用自适应模糊算法消除滑模控制中的高频抖振问题，鲁棒项来减小不确定性对系统的影响，提高系统控制品质。自适应模糊控制算法由两个部分组成:主模糊控制器部分和辅助模糊控制器部分，可以根据系统参数和外部干扰中的各种不确定性来调节。定深仿真结果表明在不确定性参数和外界干扰的情况下，所提出的自适应模糊滑模控制器可以实现有效的深度控制。
　　针对具有不确定死区的水下机器人的深度控制，设计一种基于计算转矩控制方法的复合自适应模糊控制器。不确定性补偿部分由两个自适应模糊控制器组成:针对参数摄动和外界干扰设计一个自适应模糊控制器对系统的输入进行补偿，针对不确定死区设计另一个自适应模糊控制补偿来消除死区对系统性能的不良影响。垂直定深控制仿真结果表明提出的基于计算力矩控制方法的复合自适应模糊控制算法相对于计算转矩算法具有更好的稳态性能和更强的鲁棒性。
　　针对水下机器人的水平面内的轨迹跟踪问题，提出计算转矩方法和滑模控制相结合的水下机器人轨迹跟踪控制方案，计算转矩算法可以实现非线性水平面模型的解耦，滑模控制可以使系统在参数摄动和外界干扰的情况下仍然具有良好的控制性能。水下机器人水平面的轨迹跟踪控制仿真结果表明提出的线性反馈的滑模控制器算法具有很好的稳态性能和鲁棒性。

目录

声明

摘要

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状及发展动态分析

1．2．1 水下机器人

1．2．2 水下机器人的控制方法

1．3 本文主要研究内容

2．1 引言

2．2 水下机器人坐标系的构建

2．3 水下机器人的六自由度模型

2．3．1 六自由度运动学模型

2．3．2 六自由度动力学模型

2．4 垂直面和水平面的动力学模型

2．4．1 垂直面动力学模型的建立

2．4．2 水平面动力学模型的建立

2．5 水下机器人的动力学模型仿真

2．6 本章小结

第3章 基于自适应模糊滑模控制的水下机器人定深控制

3．1 引言

3．2 自适应模糊滑模控制器设计的理论基础

3．2．1 滑模控制理论基础

3．2．2 模糊控制理论基础

3．2．3 自适应理论基础

3．3 自适应滑模控制器设计

3．3．1 动态模型的正交变换

3．3．2 滑模控制设计

3．3．3 自适应模糊滑模控制设计

3．4 控制器稳定性证明

3．5 仿真结果及分析

3．6 本章小结

第4章 基于不确定死区补偿的水下机器人定深控制

4．1 引言

4．2 计算力矩与死区补偿控制器理论基础

4．2．1 计算力矩控制

4．2．2 死区补偿控制

4．3 自适应模糊补偿控制器

4．3．1 自适应模糊前馈补偿控制器设计

4．3．2 不确定项的自适应模糊补偿

4．4 控制器稳定性证明

4．5 仿真结果及分析

4．6 文章小结

5．1 引言

5．2 水平面轨迹跟踪控制器设计的理论基础

5．2．1 期望误差的坐标转换

5．2．2 基于计算转矩的滑模轨迹跟踪控制

5．2．3 控制器的设计

5．3 控制器稳定证明

5．4 仿真结果及分析

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文和参加科研情况