本發(fā)明涉及一種基于改進(jìn)自適應(yīng)律的自主式水下機(jī)器人系統(tǒng)超扭滑模控制軌跡跟蹤方法，屬于自主式水下機(jī)器人系統(tǒng)軌跡跟蹤。

背景技術(shù)：

1、近年來，自主式水下機(jī)器人由于其便捷性和不可替代性，被廣泛應(yīng)用于海洋數(shù)據(jù)采集、海上搜救、海洋資源開發(fā)等各種海洋研究任務(wù)中。然而，由于自主式水下機(jī)器人是一種典型的高非線性系統(tǒng)，由于其固有的強(qiáng)耦合動力學(xué)特性、模型不確定性、外部干擾(風(fēng)、浪、強(qiáng)流等)以及執(zhí)行器的物理約束可能會對系統(tǒng)控制性能產(chǎn)生影響。為了實現(xiàn)更好的跟蹤效果，提出了各種先進(jìn)的運(yùn)動控制方案來解決自主式水下機(jī)器人的軌跡跟蹤控制問題，包括自適應(yīng)控制、滑?？刂啤⒎床娇刂?、模型預(yù)測控制以及模糊邏輯控制等方法。

2、在上述方法中，滑?？刂朴捎谄鋸?qiáng)魯棒性而被廣泛的使用。然而，傳統(tǒng)的滑?？刂品椒ù嬖诙墩窈褪諗繒r間不確定的問題。為了減少系統(tǒng)的收斂時間，終端滑?？刂品桨副惶岢觯袊鴮＠暾坈n113110532a提出了一種自適應(yīng)終端滑?？刂品椒?，有效的提高了系統(tǒng)的收斂時間，但是由于控制律中切換項的存在，控制的抖振就成了設(shè)計過程中難以避免的問題；中國專利申請cn115903859a公開了一種自適應(yīng)積分滑模控制方案，增加了積分環(huán)節(jié)，盡量的削弱了控制器的抖振現(xiàn)象。

3、上述提出的方法雖然可以提高系統(tǒng)的性能，但一些未知系統(tǒng)動態(tài)的影響仍然是不可避免的。為了解決這個問題，已經(jīng)有多種觀測器以及自適應(yīng)抗擾方法被提出，例如非線性擾動觀測器和。中國專利申請cn114895569a中設(shè)計的非線性擾動觀測器可以針對系統(tǒng)的集中不確定性獲得更好的跟蹤結(jié)果。中國專利申請cn112859891a中設(shè)計另一種自適應(yīng)算法來保證系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性和良好的性能。然而，所有這些方法存在收斂速度不夠快，或者是自適應(yīng)增益容易高估的問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種基于改進(jìn)自適應(yīng)律的自主式水下機(jī)器人系統(tǒng)超扭滑?？刂栖壽E跟蹤方法，基于滑模面、同步時間估計器以及雙曲正切函數(shù)來設(shè)計基于改進(jìn)自適應(yīng)律的超扭滑模控制器，實現(xiàn)對自主式水下機(jī)器人的軌跡跟蹤，能夠在保證系統(tǒng)快速收斂的同時有效地抑制系統(tǒng)的抖振。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案是：

3、一種基于改進(jìn)自適應(yīng)律的自主式水下機(jī)器人系統(tǒng)超扭滑?？刂栖壽E跟蹤方法，包括如下步驟：

4、s1、建立6自由度的自主式水下機(jī)器人動力學(xué)模型；對6自由度的自主式水下機(jī)器人動力學(xué)模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換，構(gòu)建基于集總擾動的6自由度的自主式水下機(jī)器人動力學(xué)模型；

5、s2、設(shè)計同步時間估計器來估計基于集總擾動的6自由度的自主式水下機(jī)器人動力學(xué)模型中的集總擾動；

6、s3、基于滑模面、同步時間估計器以及雙曲正切函數(shù)來設(shè)計基于改進(jìn)自適應(yīng)律的超扭滑模控制器，實現(xiàn)對自主式水下機(jī)器人的軌跡跟蹤。

7、進(jìn)一步地，所述基于集總擾動的6自由度的自主式水下機(jī)器人動力學(xué)模型，表達(dá)式如下：

8、

9、其中，定義為集總擾動，表示運(yùn)動坐標(biāo)系中線速度和角速度矢量υ的導(dǎo)數(shù)；分別表示的是m、c(υ)、d(υ)、g(η)的標(biāo)稱部分；δm,δc(υ),δd(υ),δg(η)分別表示m、c(υ)、d(υ)、g(η)的不確定項部分；m為慣性矩陣，c(υ)為科里奧利向心力矩陣，d(υ)為水的流動而有的動阻力和浮力矩陣，g(η)是浮力和重力共同作用所引起的恢復(fù)力向量，d為環(huán)境引起的外部擾動，τ為控制輸入力矩。

10、進(jìn)一步地，所述s2，包括：

11、將基于集總擾動的6自由度的自主式水下機(jī)器人動力學(xué)模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換，獲得轉(zhuǎn)換后的基于集總擾動的6自由度的自主式水下機(jī)器人動力學(xué)模型；

12、依據(jù)中間變量，設(shè)計一個輔助變量；

13、依據(jù)輔助變量，定義一個誤差變量；依據(jù)誤差變量定義一個輸出變量；

14、根據(jù)誤差變量和輸出變量，設(shè)計同步時間估計器，以獲得集總擾動的估計值。

15、進(jìn)一步地，所述s3，包括：

16、s3.1設(shè)計雙曲正切函數(shù)：

17、

18、其中：i＝1,2,...,6；uim為一個正常數(shù)；τ表示為τ(u)＝τεu且τ(u)∈r6，r6表示6階向量，τi(ui)表示τ(u)的第i個元素,ui為u的第i個元素，u表示基于改進(jìn)自適應(yīng)律的超扭滑?？刂破?；τε＝diag(τ1ε,τ2ε,…,τ6ε)，uiε＝εui+(1-ε)u0，u0＝0，ε是一個滿足0<ε<1的未知常數(shù)；

19、s3.2、設(shè)計滑模面：

20、自主式水下機(jī)器人的系統(tǒng)跟蹤誤差e定義為：

21、

22、其中，ηd表示η的期望值；η＝[x,y,z,φ,θ,ψ]t，x、y、z分別是縱蕩、橫蕩、升沉的位置，φ、θ、ψ分別表示橫滾、俯仰、搖艏的姿態(tài)；

23、給定一個遞歸終端滑模面，采用此滑模面來驅(qū)動自主式水下機(jī)器人跟蹤期望軌跡：

24、

25、其中，s表示滑模變量；α,β,c1>0，γ,c2>0；a,b為滿足a<b的正整數(shù)；表示自主式水下機(jī)器人的系統(tǒng)跟蹤誤差e的導(dǎo)數(shù)；為中間變量；sigγ(e)＝|e|γsign(e)；

26、s3.3、基于滑模面、同步時間估計器以及雙曲正切函數(shù)來設(shè)計基于改進(jìn)自適應(yīng)律的超扭滑模控制器u，表達(dá)式：

27、

28、其中，表示的是m的標(biāo)稱部分，m為慣性矩陣；j表示雅可比矩陣；i＝1,...,6，ei表示自主式水下機(jī)器人的系統(tǒng)跟蹤誤差e的第i個元素；為依據(jù)同步時間估計器獲得的集總擾動的估計值；表示超扭滑模自適應(yīng)律；f、δ1為中間變量；

29、

30、本發(fā)明的有益效果是：針對6自由度自主式水下機(jī)器人系統(tǒng)，本發(fā)明設(shè)計出一種基于改進(jìn)自適應(yīng)律的自主式水下機(jī)器人系統(tǒng)自適應(yīng)超扭滑?？刂栖壽E跟蹤方法，該方法通過引入輔助變量和輸出變量設(shè)計同步時間估計器對集總擾動進(jìn)行估計，使得系統(tǒng)收斂誤差能夠在同步時間內(nèi)收斂到零；進(jìn)一步構(gòu)建的采基于改進(jìn)自適應(yīng)律的超扭滑?？刂破髂軌蛟诩铀傧到y(tǒng)收斂的同時抑制系統(tǒng)抖振；綜上，本發(fā)明提出的基于同步時間估計器的自適應(yīng)超扭滑?？刂破髂軌蛴行У乜朔倲_動對于控制增益的影響，從而會獲得更平滑的控制輸入，達(dá)到減小抖振的效果，同時能夠減少系統(tǒng)的收斂時間，保證了系統(tǒng)在遭受復(fù)雜不確定性時能夠保持顯著的跟蹤性能。

技術(shù)特征：

1.一種基于改進(jìn)自適應(yīng)律的自主式水下機(jī)器人系統(tǒng)超扭滑?？刂栖壽E跟蹤方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于改進(jìn)自適應(yīng)律的自主式水下機(jī)器人系統(tǒng)超扭滑模控制軌跡跟蹤方法，其特征在于，所述基于集總擾動的6自由度的自主式水下機(jī)器人動力學(xué)模型，表達(dá)式如下：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于改進(jìn)自適應(yīng)律的自主式水下機(jī)器人系統(tǒng)超扭滑模控制軌跡跟蹤方法，其特征在于，所述s2，包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于改進(jìn)自適應(yīng)律的自主式水下機(jī)器人系統(tǒng)超扭滑模控制軌跡跟蹤方法，其特征在于，所述s3，包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于改進(jìn)自適應(yīng)律的自主式水下機(jī)器人系統(tǒng)超扭滑模控制軌跡跟蹤方法，包括如下步驟：建立6自由度的自主式水下機(jī)器人動力學(xué)模型；對6自由度的自主式水下機(jī)器人動力學(xué)模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換，構(gòu)建基于集總擾動的6自由度的自主式水下機(jī)器人動力學(xué)模型；設(shè)計同步時間估計器來估計基于集總擾動的6自由度的自主式水下機(jī)器人動力學(xué)模型中的集總擾動；基于滑模面、同步時間估計器以及雙曲正切函數(shù)來設(shè)計基于改進(jìn)自適應(yīng)律的超扭滑模控制器，實現(xiàn)對自主式水下機(jī)器人的軌跡跟蹤。本發(fā)明能夠在保證系統(tǒng)快速收斂的同時有效地抑制系統(tǒng)的抖振。

技術(shù)研發(fā)人員：王樹波,那靖
受保護(hù)的技術(shù)使用者：昆明理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19