基于模糊滑模方法的uvms控制

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1、50卷第1期(總第185期)郭瑩，等：水下自主作業(yè)系統(tǒng)軌跡跟蹤與動力定位9950卷第1期（總第185期）中國造船Vol.50No.1(SerialNo.185)2009年3月SHIPBUILDINGOFCHINAMar.2009文章編號：1000-4882(2009)01-0092-09水下自主作業(yè)系統(tǒng)軌跡跟蹤與動力定位收稿日期：2007-10-29，修改稿收稿日期：2008-02-08.基金項目：“863”計劃項目（2006AA09Z203）；國防科工委基礎科研項目－微小型作業(yè)工具(D2420060075)；

2、華中科技大學?？茖W研究基金（2006Q016B）資助郭瑩，徐國華，徐筱龍，肖治琥摘要論述了一種水下自主作業(yè)系統(tǒng)的軌跡跟蹤和動力定位控制算法。該系統(tǒng)由一個水下智能機器人和一個機械手組成，具有非線性、強耦合、高維數(shù)、時變等特點。在充分考慮了各種水動力因素的基礎上，使用Quasi-Lagrange方程建立系統(tǒng)的動力學數(shù)學模型。采用滑?？刂品椒?，并利用模糊邏輯動態(tài)調節(jié)滑膜控制器的增益系數(shù)，進行了計算機仿真試驗。結果表明該方法對水下自主作業(yè)系統(tǒng)的軌跡跟蹤與動力定位控制性能優(yōu)良。關鍵詞：船舶、艦船工程；水下自主作業(yè)系統(tǒng)；軌

3、跡跟蹤；動力定位；模糊滑模控制中圖分類號：U674.941;TP242文獻標識碼：A0引言水下自主作業(yè)系統(tǒng)，即水下智能機器人—機械手系統(tǒng)（autonomousunderwatervehicle-manipulatorsystem—AUVMS）不受作業(yè)時間和空間的限制，而且體積小無人無纜，隱蔽性好，在各種淺海和深海使命中發(fā)揮著重要的作用，特別是軍事應用。因此，水下自主作業(yè)技術已成為水下機器人技術的主要研究方向之一[1]。該系統(tǒng)具有非線性、強耦合、高維數(shù)、時變等特點。研究該系統(tǒng)有效控制算法的主要難點是[2]：①系統(tǒng)

4、存在自由度冗余；②很難精確確定系統(tǒng)受到的水動力影響；③難以精確建立整個系統(tǒng)的動力學模型；④設計具有魯棒性或自適應能力的控制算法。過去的十幾年里針對水下自主系統(tǒng)的控制，各國學者進行了大量的研究工作。Dunnigan和Russell[3]針對某型系統(tǒng)，采用滑?？刂品椒▉硐龣C械手對機器人子系統(tǒng)的耦合影響；YongCui[2]針對UVMS建立了基于Quasi-Lagrange方程的系統(tǒng)動力學模型，提出了基于力矩的阻抗控制方法并給出仿真結果；Ioi和Itoh[4]基于經典Newton-Euler方程建立了模型的迭代算法

5、；McMillan等[5]提出了基于AB(Articulated-Body)方法的仿真算法，并提供了程序源碼；Schjolberg等[6]建立了含有主要水動力項的迭代Newton-Euler方程，并在控制中采用反饋線性化；Antonelli[7]提出了一種UVMS的滑?？刂品椒?，該方法可以有效地避免求解系統(tǒng)雅可比矩陣的逆矩陣，從而避免了動力學奇異值的出現(xiàn)；在文獻[8]中，非線性魯棒控制器應用于UVMS的運動控制，該控制器基于系統(tǒng)動力學模型的分解形式，是一種非自適應性滑膜控制器；Santos[9]使用一種混合的模

6、糊算法來實現(xiàn)UVMS的運動控制。本文針對水下自主作業(yè)系統(tǒng)的定點作業(yè)，提出了一種新的軌跡跟蹤和動力定位50卷第1期(總第185期)郭瑩，等：水下自主作業(yè)系統(tǒng)軌跡跟蹤與動力定位99控制算法。使用Quasi-Lagrange方程建立系統(tǒng)的動力學模型，并將模型劃分為一系列相互關聯(lián)的子系統(tǒng)，設計滑?？刂破饔糜谀┒藞?zhí)行器的軌跡跟蹤和動力定位控制，采用模糊邏輯動態(tài)調節(jié)控制器的增益系數(shù)，并進行計算機仿真試驗來驗證控制算法的性能。1動力學模型水下自主作業(yè)系統(tǒng)具有非線性、強耦合、高維數(shù)和時變等動力學特點。此類動力學系統(tǒng)，通常使用Q

7、uasi-Lagrange方程建立系統(tǒng)的動力學模型。Quasi-Lagrange方程計算效率高，建立的動力學方程可以直接表示為系統(tǒng)控制輸入變量的函數(shù)，并且適用于非慣性坐標系，因此得到了廣泛的應用。1.1Quasi-Lagrange方程n自由度的動力學系統(tǒng)的標準Lagrange方程基本形式如下式：(1)式中，為慣性坐標系下的系統(tǒng)總能量，為廣義坐標向量，為廣義坐標的一階導數(shù)向量，為作用于系統(tǒng)的廣義力向量?，F(xiàn)在將該方程轉化為非慣性參考系下的形式(其詳細的推導過程見文獻[2])，即Quasi-Lagrange方程：(2

8、)式中，為非慣性坐標系下的系統(tǒng)總能量；；是運動坐標系下的速度向量（并且和的關系為）；；和是轉換矩陣（）。1.2系統(tǒng)動力學模型系統(tǒng)由一個六自由度的水下智能機器人和一個n自由度的機械手組成。系統(tǒng)示意圖和參考坐標系如圖1所示。慣性坐標系的原點定義為水中任一點，運動坐標系的原點定義為水下機器人的浮心CB。令為廣義坐標，其中、和分別為機器人沿慣性坐標系的、和軸的位移，、和分別為繞、和軸的轉角，為