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水下自主作业系统轨迹跟踪与动力定位.doc

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水下自主作业系统轨迹跟踪与动力定位.doc

专业文档,值得下载专业文档,值得珍藏50卷第1期(总第185期)中国造船VOL50NO1SERIALNO1852009年3月SHIPBUILDINGOFCHINAMAR2009文章编号10004882200901009209水下自主作业系统轨迹跟踪与动力定位郭莹,徐国华,徐筱龙,肖治琥摘要论述了一种水下自主作业系统的轨迹跟踪和动力定位控制算法。该系统由一个水下智能机器人和一个机械手组成,具有非线性、强耦合、高维数、时变等特点。在充分考虑了各种水动力因素的基础上,使用QUASILAGRANGE方程建立系统的动力学数学模型。采用滑模控制方法,并利用模糊逻辑动态调节滑膜控制器的增益系数,进行了计算机仿真试验。结果表明该方法对水下自主作业系统的轨迹跟踪与动力定位控制性能优良。关键词船舶、舰船工程;水下自主作业系统;轨迹跟踪;动力定位;模糊滑模控制中图分类号U674941;TP242文献标识码A0引言水下自主作业系统,即水下智能机器人机械手系统(AUTONOMOUSUNDERWATERVEHICLEMANIPULATORSYSTEMAUVMS)不受作业时间和空间的限制,而且体积小无人无缆,隐蔽性好,在各种浅海和深海使命中发挥着重要的作用,特别是军事应用。因此,水下自主作业技术已成为水下机器人技术的主要研究方向之一1。该系统具有非线性、强耦合、高维数、时变等特点。研究该系统有效控制算法的主要难点是2①系统存在自由度冗余;②很难精确确定系统受到的水动力影响;③难以精确建立整个系统的动力学模型;④设计具有鲁棒性或自适应能力的控制算法。过去的十几年里针对水下自主系统的控制,各国学者进行了大量的研究工作。DUNNIGAN和RUSSELL3针对某型系统,采用滑模控制方法来消除机械手对机器人子系统的耦合影响;YONGCUI2针对UVMS建立了基于QUASILAGRANGE方程的系统动力学模型,提出了基于力矩的阻抗控制方法并给出仿真结果;IOI和ITOH4基于经典NEWTONEULER方程建立了模型的迭代算法;MCMILLAN等5提出了基于ABARTICULATEDBODY方法的仿真算法,并提供了程序源码;SCHJOLBERG等6建立了含有主要水动力项的迭代NEWTONEULER方程,并在控制中采用反馈线性化;ANTONELLI7提出了一种UVMS的滑模控制方法,该方法可以有效地避免求解系统雅可比矩阵的逆矩阵,从而避免了动力学奇异值的出现;在文献8中,非线性鲁棒控制器应用于UVMS的运动控制,该控制器基于系统动力学模型的分解形式,是一种非自适应性滑膜控制器;SANTOS9使用一种混合的模糊算法来实现UVMS的运动控制。本文针对水下自主作业系统的定点作业,提出了一种新的轨迹跟踪和动力定位控制算法。使用收稿日期20071029,修改稿收稿日期20080208基金项目“863”计划项目(2006AA09Z203);国防科工委基础科研项目-微小型作业工具D2420060075;华中科技大学校科学研究基金(2006Q016B)资助50卷第1期总第185期郭莹,等水下自主作业系统轨迹跟踪与动力定位93QUASILAGRANGE方程建立系统的动力学模型,并将模型划分为一系列相互关联的子系统,设计滑模控制器用于末端执行器的轨迹跟踪和动力定位控制,采用模糊逻辑动态调节控制器的增益系数,并进行计算机仿真试验来验证控制算法的性能。1动力学模型水下自主作业系统具有非线性、强耦合、高维数和时变等动力学特点。此类动力学系统,通常使用QUASILAGRANGE方程建立系统的动力学模型。QUASILAGRANGE方程计算效率高,建立的动力学方程可以直接表示为系统控制输入变量的函数,并且适用于非惯性坐标系,因此得到了广泛的应用。11QUASILAGRANGE方程N自由度的动力学系统的标准LAGRANGE方程基本形式如下式DDTTTQQQ∂∂∂∂1式中,T为惯性坐标系下的系统总能量,Q为广义坐标向量,Q为广义坐标的一阶导数向量,Q为作用于系统的广义力向量。现在将该方程转化为非惯性参考系下的形式其详细的推导过程见文献2,即QUASILAGRANGE方程TTDDTTTTBBΤΩΩQ∂∂∂∂∂∂2式中,T为非惯性坐标系下的系统总能量;TTTTAAΩΒΩBQQ;T12,,,NΩ是运动坐标系下的速度向量(并且Ω和Q的关系为QBΩ);TΤBQ;A和NNB是转换矩阵(BAI)。12系统动力学模型系统由一个六自由度的水下智能机器人和一个N自由度的机械手组成。系统示意图和参考坐标系如图1所示。惯性坐标系的原点定义为水中任一点,运动坐标系的原点定义为水下机器人的浮心CB。令T126,,,NQQQQ为广义坐标,其中1Q、2Q和3Q分别为机器人沿惯性坐标系的X、Y和Z轴的位移,4Q、5Q和6Q分别为绕X、Y和Z轴的转角,786,,,NQQQ为机械手各关节的关节变量。系统的动力学方程可以表示为如下形式,,MQQCQQQDQQQGQΤ3式中,MQ66NN为刚体和附加质量所引起的惯性矩阵;,CQQ66NN为刚体和附加质量所引起的向心力和哥氏力矩阵;,DQQ66NN为水动力阻力矩阵;GQ6N为重力和浮力向量;Τ为广义力向量。令26,NQXXQ,可得到系统动力学的状态空间表达式00000QIQXUQQHF4式中,1HMQ是正定、对称矩阵;UΤ;,,FCQQQDQQQGQH。94中国造船学术论文为了简化分析和控制器设计,将系统模型分解为一系列相互关联的子系统(F定义为干扰项),这样就可以得到第I个子系统的动力学表达式66110000101,1,2,,60000NIIINIIJJIIJJIIJIIIJJJIQQQUINHUFHUFHQQQ5上式可以简写为IUIIIIIXAXBF6式中,610001,,,00NIIJJIIJIJJIQHUFHQIIIIXABF。2控制算法水下自主作业系统,是一个非线性、变结构的系统,而且系统动力学模型和外部干扰都具有不确定性。要实现此类系统的控制,须采用具有鲁棒性的非线性或自适应控制算法。滑膜变结构控制方法具有快速响应、对参数变化及扰动不灵敏、鲁棒性好、可靠性高、物理实现简单等优点,广泛应用于运动控制或此类复杂非线性系统的控制。21滑模控制设定机械手末端执行器的预定轨迹为,0,TTTRX,预定速度TRX和加速度TRX,在整个时间段内存在并连续。设定跟踪误差为RRXXEEXXE。选择一个线性滑模面,且具有时间不变性。16NESCEC1CEEE7和D/DSGNTSΕS8针对第I个子系统可得到IIIISCEE9D/DSGNIIISTS10式中,IC为滑膜控制器的增益系数(本算法中,使用模糊逻辑动态调节);10SGN0010IIIISSSS。由式9和式10,可以得到SGNIIIIIISCEES11SGNIIIIIECES12SGNIIRIIIIIEQQCES13由式3和式13得SGN,,IIIIIIIRIIIIIIIIUQCESQQQQQQQQMCDG14因此,设定该控制器的控制开关规律为50卷第1期总第185期郭莹,等水下自主作业系统轨迹跟踪与动力定位95IIIUMUF15式中,SGNIIIIIRIUCESQ;,,IIIIIIIIFQQQQQQQCDG。为了加快收敛速度,希望跟踪误差能在下一个仿真时刻达到滑模面,即10ISK,因此设定IIST16式中T为采样周期。22模糊逻辑为了提高控制系统的响应速度,滑模控制器的增益系数通常会取比较大的数值。但增益系数数值过大会引起高频抖振,使系统不稳定,从而影响系统的控制精度。特别是在完成控制精度要求较高的作业任务时,增益系数的取值就比较复杂,难以取定。因此采用模糊逻辑控制器来动态调节控制器的增益系数IC,柔化控制信号,以保证控制器的性能并最大限度地减轻或者避免高频抖振。首先,模糊逻辑控制器的模糊规则为如果XA,则YB其中,X为输入变量,Y为输出变量,A和B分别为X和Y论集。然后,将输入变量X模糊化,其隶属函数为IAIX,隶属函数曲线如图2所示。再次,通过模糊规则得到输出变量Y的隶属函数IBIY。最后,使用重心法去模糊化。DDIIBIIBIYYYYYY17增益系数决定滑模控制器的性能,其值越大,系统的响应速度越快。定义其模糊逻辑规则如表1所示。表1增益系数IC的模糊逻辑规则模糊逻辑IE零小中大IC零小中大3仿真试验本文以某型水下自主作业系统的定点作业为例,进行计算机仿真试验来验证该控制算法的性能。31仿真模型仿真系统由一个四自由度的水下智能机器人和一个两自由度的平面机械手组成。水下智能机器人长195M,重16229N。其主要参数如表2所示。机器人共有四个推进器,包括两个主推、一个侧推和一个垂推,可以产生四个自由度的运动,即前进、横移、升沉和回转。但是由于水流的相对速度以及机器人、机械手之间的耦合作用,运动过程中机器人还会出现横倾和纵倾。机械手安装在机器人的前端。在XZ平面内运动,二个关节均为转动关节,旋转轴相互平行,XI图2XI的模糊规则

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