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

1、本文主要對(duì)自治水下運(yùn)載器-機(jī)械手系統(tǒng)(underwater vehicle-manipulator systems，UVMS)協(xié)調(diào)控制技術(shù)進(jìn)行了深入研究，包括運(yùn)動(dòng)學(xué)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(duì)自治UVMS運(yùn)動(dòng)學(xué)冗余、各子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性不一致的特點(diǎn)，本文提出了一種基于模糊算法的多任務(wù)加權(quán)投影梯度法，有效解決了UVMS的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)劃問(wèn)題。而針對(duì)存在強(qiáng)非線(xiàn)性耦合、較復(fù)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(shí)延估計(jì)(time delay estimation，TDE)的非線(xiàn)性魯棒控制策略，解決了UVMS關(guān)節(jié)空間軌跡跟蹤的非線(xiàn)性魯棒控制難題。最終，將所提運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)劃算法和非線(xiàn)性魯棒控制算法結(jié)合在一起，有效地實(shí)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(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，并對(duì)構(gòu)成UVMS協(xié)調(diào)控制技術(shù)的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)劃技術(shù)和關(guān)節(jié)空間軌

3、跡跟蹤控制技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的回顧和介紹。最后簡(jiǎn)述了本課題的研究意義、研究難點(diǎn)和研究?jī)?nèi)容。
　　第二章，介紹了本課題所研究UVMS的開(kāi)發(fā)背景、總體結(jié)構(gòu)和各子系統(tǒng)的組成，并通過(guò)試驗(yàn)給出了執(zhí)行器廣義輸出力和輸入信號(hào)之間的擬合關(guān)系式。
　　第三章，簡(jiǎn)述了水下運(yùn)載器和水下電驅(qū)機(jī)械手各自的運(yùn)動(dòng)情況，建立了兩者獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。而后將其融合得到相應(yīng)的UVMS關(guān)節(jié)空間和任務(wù)空間的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。而對(duì)于動(dòng)力學(xué)模型，考慮到UVMS的高維數(shù)及水動(dòng)力參數(shù)

4、的復(fù)雜性，一般很難通過(guò)嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)準(zhǔn)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(dòng)力學(xué)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(duì)具有運(yùn)動(dòng)學(xué)冗余特性的UVMS運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)劃問(wèn)題，提出了一種基于模糊算法的多任務(wù)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(jí)問(wèn)題，然

5、后采用加權(quán)投影梯度法在保證主任務(wù)的同時(shí)，較好的協(xié)調(diào)多個(gè)約束條件。最后，通過(guò)多組對(duì)比仿真研究驗(yàn)證了所提算法的有效性。
　　第五章，針對(duì)存在強(qiáng)非線(xiàn)性耦合、較復(fù)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(xiàn)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)量來(lái)估算當(dāng)前時(shí)刻

6、的系統(tǒng)集總動(dòng)態(tài)模型，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的補(bǔ)償。故基于TDE技術(shù)的控制器一般對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型依賴(lài)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(jiǎn)單、易于應(yīng)用的特點(diǎn)。而后，為進(jìn)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(jī)地結(jié)合在一起，提出了一種基于TDE技術(shù)的終端滑模控制器。使用Lyapunov穩(wěn)定性理論，證明了當(dāng)存在集總不確定項(xiàng)時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并給出了系統(tǒng)跟蹤誤差的范圍。為驗(yàn)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(jìn)行了對(duì)比仿真和水池試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，相對(duì)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(qiáng)的魯棒性，且具有對(duì)系統(tǒng)模型依賴(lài)程度低的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，基于TDE技術(shù)的終端滑?？刂破骺色@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(duì)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(xiàn)性魯棒控制策略的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步提

8、高系統(tǒng)控制品質(zhì)、減弱測(cè)量噪聲的影響，提出了一種基于離散TDE技術(shù)的非線(xiàn)性魯棒控制方法。一般來(lái)說(shuō)，UVMS不會(huì)配備加速度測(cè)量傳感器。而為了滿(mǎn)足連續(xù)性TDE技術(shù)對(duì)加速度信息的需求，大多會(huì)對(duì)位置或速度信息微分以獲取加速度信息。雖然可以通過(guò)降低控制器參數(shù)或增加濾波器來(lái)抑制測(cè)量噪聲對(duì)系統(tǒng)控制效果的影響，但是這樣可能會(huì)限制內(nèi)環(huán)控制量對(duì)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(huì)增加控制器的復(fù)雜性，加重計(jì)算負(fù)擔(dān)，不利于控制器的工程實(shí)際應(yīng)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(wú)需加速度信息，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，更加適用于實(shí)際工程應(yīng)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(gè)小球域內(nèi)。為驗(yàn)證所提算法的有效性，開(kāi)展了仿真與水池試驗(yàn)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(shí)具有相對(duì)基于連續(xù)性TDE技術(shù)的非線(xiàn)性魯棒控制算法更簡(jiǎn)單、更易于實(shí)際應(yīng)用的結(jié)構(gòu)。
　　第七章，針對(duì)