自治水下運載器——機械手系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制研究.pdf

1、本文主要對自治水下運載器-機械手系統(tǒng)(underwater vehicle-manipulator systems，UVMS)協(xié)調(diào)控制技術(shù)進行了深入研究，包括運動學規(guī)劃技術(shù)和關(guān)節(jié)空間軌跡跟蹤控制技術(shù)這兩方面內(nèi)容。針對自治UVMS運動學冗余、各子系統(tǒng)動態(tài)響應特性不一致的特點，本文提出了一種基于模糊算法的多任務加權(quán)投影梯度法，有效解決了UVMS的運動學規(guī)劃問題。而針對存在強非線性耦合、較復雜參數(shù)不確定性及未知外干擾的自治UVMS關(guān)節(jié)空間軌跡

2、跟蹤控制難題，提出了基于時延估計(time delay estimation，TDE)的非線性魯棒控制策略，解決了UVMS關(guān)節(jié)空間軌跡跟蹤的非線性魯棒控制難題。最終，將所提運動學規(guī)劃算法和非線性魯棒控制算法結(jié)合在一起，有效地實現(xiàn)了存在較大綜合不確定性狀態(tài)下的自治UVMS協(xié)調(diào)控制。
　　本文共分為八章，各章內(nèi)容概括如下:
　　第一章，介紹了UVMS發(fā)展的歷史和國內(nèi)外現(xiàn)狀，并對構(gòu)成UVMS協(xié)調(diào)控制技術(shù)的運動學規(guī)劃技術(shù)和關(guān)節(jié)空間軌

3、跡跟蹤控制技術(shù)進行了詳細的回顧和介紹。最后簡述了本課題的研究意義、研究難點和研究內(nèi)容。
　　第二章，介紹了本課題所研究UVMS的開發(fā)背景、總體結(jié)構(gòu)和各子系統(tǒng)的組成，并通過試驗給出了執(zhí)行器廣義輸出力和輸入信號之間的擬合關(guān)系式。
　　第三章，簡述了水下運載器和水下電驅(qū)機械手各自的運動情況，建立了兩者獨立的運動學模型。而后將其融合得到相應的UVMS關(guān)節(jié)空間和任務空間的運動學模型。而對于動力學模型，考慮到UVMS的高維數(shù)及水動力參數(shù)

4、的復雜性，一般很難通過嚴格的數(shù)學推導準確得到。因此，本章主要利用MATLAB/Simulink@下的SimMechanics工具箱和三維建模軟件Solidworks建立了UVMS的動力學模型。最終，在MATLAB/Simulink@環(huán)境下建立了完整的UVMS仿真模型。
　　第四章，針對具有運動學冗余特性的UVMS運動學規(guī)劃問題，提出了一種基于模糊算法的多任務加權(quán)投影梯度法。該方法利用模糊算法有效地解決了次要約束之間的優(yōu)先級問題，然

5、后采用加權(quán)投影梯度法在保證主任務的同時，較好的協(xié)調(diào)多個約束條件。最后，通過多組對比仿真研究驗證了所提算法的有效性。
　　第五章，針對存在強非線性耦合、較復雜參數(shù)不確定性及未知外干擾的UVMS關(guān)節(jié)空間軌跡跟蹤控制難題，提出了一種基于連續(xù)性TDE技術(shù)的非線性魯棒控制策略。該策略的核心思想是利用TDE技術(shù)構(gòu)建控制器主體架構(gòu)，然后采用其他控制方法實現(xiàn)對系統(tǒng)控制效果的調(diào)節(jié)。而TDE技術(shù)的核心思想是利用系統(tǒng)前一段時刻的運動狀態(tài)量來估算當前時刻

6、的系統(tǒng)集總動態(tài)模型，用以實現(xiàn)對系統(tǒng)動態(tài)的補償。故基于TDE技術(shù)的控制器一般對系統(tǒng)動力學模型依賴較小。在此基礎(chǔ)上，作者首先提出了一種基于TDE技術(shù)的PD控制器。該算法具有結(jié)構(gòu)簡單、易于應用的特點。而后，為進一步提升系統(tǒng)的控制品質(zhì)，作者將終端滑模控制方法與TDE技術(shù)有機地結(jié)合在一起，提出了一種基于TDE技術(shù)的終端滑?？刂破鳌Ｊ褂肔yapunov穩(wěn)定性理論，證明了當存在集總不確定項時系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并給出了系統(tǒng)跟蹤誤差的范圍。為驗證所提算法的有

7、效性，本章將兩種基于TDE技術(shù)的控制方法與傳統(tǒng)PD控制器進行了對比仿真和水池試驗研究。結(jié)果表明，相對傳統(tǒng)PD控制器兩種所提算法均可保證較好的控制性能和較強的魯棒性，且具有對系統(tǒng)模型依賴程度低的優(yōu)點。同時，基于TDE技術(shù)的終端滑模控制器可獲取比基于TDE技術(shù)PD控制器更優(yōu)的控制品質(zhì)和魯棒性。
　　第六章，針對存在較大綜合不確定性的UVMS關(guān)節(jié)空間軌跡跟蹤控制難題，在前文所提基于連續(xù)性TDE技術(shù)的非線性魯棒控制策略的基礎(chǔ)上，為進一步提

8、高系統(tǒng)控制品質(zhì)、減弱測量噪聲的影響，提出了一種基于離散TDE技術(shù)的非線性魯棒控制方法。一般來說，UVMS不會配備加速度測量傳感器。而為了滿足連續(xù)性TDE技術(shù)對加速度信息的需求，大多會對位置或速度信息微分以獲取加速度信息。雖然可以通過降低控制器參數(shù)或增加濾波器來抑制測量噪聲對系統(tǒng)控制效果的影響，但是這樣可能會限制內(nèi)環(huán)控制量對系統(tǒng)控制品質(zhì)的調(diào)節(jié)作用。并且微分操作及額外的濾波器都會增加控制器的復雜性，加重計算負擔，不利于控制器的工程實際應用。

9、而與基于連續(xù)性TDE技術(shù)的控制方法相比，基于離散TDE技術(shù)的算法無需加速度信息，結(jié)構(gòu)更加簡單，更加適用于實際工程應用。使用Lyapunov穩(wěn)定性理論，深入分析了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由理論分析知，系統(tǒng)軌跡的跟蹤誤差將收斂到一個小球域內(nèi)。為驗證所提算法的有效性，開展了仿真與水池試驗研究。相關(guān)結(jié)果表明所提算法可以較好地保證系統(tǒng)跟蹤控制品質(zhì)，同時具有相對基于連續(xù)性TDE技術(shù)的非線性魯棒控制算法更簡單、更易于實際應用的結(jié)構(gòu)。
　　第七章，針對