多功能水下机器人运动控制

论文摘要

水下机器人工作在复杂的海洋环境中,是各个运动自由度上强耦合的严重非线性系统,其精确的运动方程通常难以获得。变结构控制作为一种控制方法,其优点在于可采用不精确的数学模型进行控制器设计,有较强的鲁棒性,比较适合水下机器人的运动控制。本文以“多功能水下机器人”为对象,研究了可控正则型非线性系统的变结构控制问题。对于可控正则型多输入系统,选择分散控制模式。并将可控正则型系统化为线性简约型。在设计切换函数时,作者采用极点配置法来设计,采用趋近率削弱抖振的控制策略。在建立水下机器人五自由度运动模型的基础上,对其可控正则化设计了水下机器人运动位置控制器。针对极点配置法设计的切换面可能会导致在原点附近系统状态收敛缓慢的问题,作者设计了折线型切换面,增大切换面在原点附近区域的斜率,从而加速系统状态收敛到原点。将控制器切换面的斜率设定为0,并且加入积分项,使控制系统状态在该切换面上滑动即可实现不改变数学模型条件下的速度控制。同时,规定速度控制的起始和结束的位置,实现给定位置处定速控制。从仿真实验结果可以看出折线型切换面滑模控制器可以比普通滑模控制器更快的收敛,定速控制比较精确,超调和稳态误差都比较小,基本实现了给定位置处定速控制。削弱滑模变结构控制中的抖振问题是变结构控制器设计的一个重点。本文在相平面上定义了一个滑动区域,给定滑动区域内的等效控制。提出了滑动区域方法来削弱滑模变结构控制的抖振问题。系统状态进入到滑动区域后,在等效控制的作用下做低频小幅的振荡。通过仿真实验与其他方法比较可以看出,滑动区域法有效的削弱了滑模变结构控制中的抖振问题。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 水下机器人发展现状及发展趋势
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.2.3 发展趋势
• 1.3 水下机器人运动控制系统综述
• 1.3.1 水下机器人体系结构
• 1.3.2 水下机器人运动控制的一般流程
• 1.4 水下机器人运动控制方法
• 1.5 本文主要内容
• 1.6 本章小结
• 第2章 滑模变结构控制方法
• 2.1 引言
• 2.2 滑模变结构控制的基本原理
• 2.2.1 滑动模态
• 2.2.2 到达条件
• 2.2.3 滑动模态渐近稳定，且有良好动态品质
• 2.3 滑模变结构控制方法的数学模型
• 2.3.1 被控对象的数学模型
• 2.3.2 切换函数S（x）的模型
• 2.3.3 控制的切换模式（控制模式）
• 2.4 可控正则型多输入非线性系统的变结构控制
• 2.4.1 可控正则型多输入非线性系统的控制切换模式
• 2.4.2 可控正则型系统化为线性简约型
• 2.4.3 切换函数的设计
• 2.4.4 趋近率削弱抖振的控制策略
• 2.5 本章小结
• 第3章 机器人运动建模及滑模控制器设计
• 3.1 引言
• 3.2 坐标系选取及运动参数
• 3.3 空间运动方程
• 3.4 建立运动模型
• 3.5 滑模变结构控制器设计
• 3.5.1 AUV的五自由度运动模型的可控正则化
• 3.5.2 给定运动跟踪模型的正则化
• 3.6 水下机器人的位置控制
• 3.6.1 切换函数的设计
• 3.6.2 趋近率削弱抖振的控制策略设计
• 3.6.3 积分变结构控制技术
• 3.7 本章小结
• 第4章 改进切换面的滑模变结构控制
• 4.1 引言
• 4.2 极点配置法设计切换面的改进方法
• 4.2.1 折线型切换面设计
• 4.2.2 折线切换面下的控制器输出
• 4.3 速度控制下的切换面设计
• 4.4 给定位置处定速控制下的切换面设计
• 4.5 计算机仿真结果及分析
• 4.5.1 应用改进切换面进行定位控制仿真实验
• 4.5.2 应用改进切换面速度控制仿真实验
• 4.5.3 给定位置处定速控制仿真实验
• 4.6 本章小结
• 第5章 基于滑动区域的滑模变结构控制
• 5.1 引言
• 5.2 解决抖振问题的传统控制方法
• 5.3 一种削弱抖振的方法
• 5.3.1 滑动区域
• 5.3.2 到达条件
• 5.3.3 等效控制
• 5.3.4 稳定性分析
• 5.3.5 比较分析
• 5.4 仿真试验
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢