水下机器人的模糊滑模控制方法
粘丹妮,王丽荣,庞永杰
(哈尔滨工程大学船舶工程学院,黑龙江哈尔滨150001)
摘 要:建立了某水下机器人的水动力模型,采用模糊逻辑与滑模控制相结合的方法,通过模糊逻辑动态调整滑模控制器的指数趋近率的参数,有效地抑制了滑模控制中所存在的抖振现象.仿真试验和水池试验证明,该控制器能有效地消除滑模控制的抖振,对外部扰动具有较强的鲁棒性,而且具有良好的响应特性.
关键词:模糊滑模控制;水下机器人;抖振
中图分类号:TP391. 9 文献标识码:A
运动控制是自主式水下机器人系统的基本组成部分.有效地进行高精度的运动控制,是保证水下机器人实现其水下搜索、探测、避障及定点悬停等任务的先决条件.由于海洋环境的复杂性和水下机器人本身的耦合效应,水下机器人动力系统具有非线性、时变性特点,其水动力系数通常很难准确估计测定,甚至在很多情况下,给定的任务要求机器人负载可变,例如铺设管道、布雷、援潜救生等,这就决定了一般的基于模型的经典控制方法应用于水下机器人基础运动控制时,很难取得满足要求的控制效果.
滑模控制理论为不确定动态系统提供了一种较好的鲁棒控制方法,此方法的主要思想是:利用状态变量或输出变量的切换函数产生一个超面(或切换流形),通过求取控制量使系统在有限时间内进入此超面.一旦系统进入此超面,则其动态品质不受系统模型参数的变化或外部干扰的影响,同时还可以消除非线性和耦合的影响,但往往却存在抖振的现象.文中采用模糊逻辑动态调整滑模控制器指数趋近率参数,不仅有效地抑制了高频抖振,而且比采用固定指数趋近率参数的滑模控制器具有更好的响应特性和鲁棒性,提高了控制精度.
1 AUV的数学模型建立及可控正则化
1. 1 模型的建立
水下机器人的空间运动研究有2种数学模型:仿真模型和设计模型.仿真模型是既考虑运动仿真的准确性,又要考虑模型参数是否可以测取而得到的简化模型.系统仿真时它可以作为水下机器人运动特征的代表.设计模型是在牺牲一定准确性的代价下得到的一种便于控制器设计的简化模型,它可
3. 2 水池试验结果
在水池中采用模糊滑模控制器进行水下机器人自动定向试验,试验结果如图4所示.从图中可以看出,文中设计的模糊滑模控制器实现了AUV在水池中精确的艏向控制,并有效地消弱了抖振.
4 结束语
文中建立了水下机器人五自由度水动力运动模型,在滑模控制的基础上用模糊逻辑来动态调整滑模控制器的指数趋近率的参数,以消除抖振.仿真与水池试验表明:本文采用的控制器具有较好的控制精度和较快的响应,能较好地实现AUV的定点控制,系统不但能有效地抑制非线性和耦合效应的影响,而且适应性强,控制精度较高.
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