基于模糊滑模方法的uvms控制

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1、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9950卷第1期（总第185期）中国造船Vol.50No.1(SerialNo.185)2009年3月SHIPBUILDINGOFCHINAMar.2009文章编号：1000-4882(2009)01-0092-09水下自主作业系统轨迹跟踪与动力定位收稿日期：2007-10-29，修改稿收稿日期：2008-02-08.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)；

2、华中科技大学校科学研究基金（2006Q016B）资助郭莹，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Quasi-Lagrange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

3、迹跟踪；动力定位；模糊滑模控制中图分类号：U674.941;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（autonomousunderwatervehicle-manipulatorsystem—AUVMS）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[2]：①系统

4、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Russell[3]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；YongCui[2]针对UVMS建立了基于Quasi-Lagrange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Itoh[4]基于经典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，并提供了程序源码；Schjolberg等[6]建立了含有主要水动力项的迭代Newton-Euler方程，并在控制中采用反馈线性化；Antonelli[7]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；Santos[9]使用一种混合的模

6、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99控制算法。使用Quasi-Lagrange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Q

7、uasi-Lagrange方程建立系统的动力学模型。Quasi-Lagrange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。1.1Quasi-Lagrange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：(1)式中，为惯性坐标系下的系统总能量，为广义坐标向量，为广义坐标的一阶导数向量，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Quasi-Lagrange方程：(2

8、)式中，为非惯性坐标系下的系统总能量；；是运动坐标系下的速度向量（并且和的关系为）；；和是转换矩阵（）。1.2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。令为广义坐标，其中、和分别为机器人沿惯性坐标系的、和轴的位移，、和分别为绕、和轴的转角，为