自治水下機(jī)器人的非線性控制方法研究.pdf

1、水下機(jī)器人作為開(kāi)發(fā)海洋的重要工具受到了極大的關(guān)注。其各種復(fù)雜作業(yè)和安全航行對(duì)水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制提出了更高要求。然而作為典型非線性系統(tǒng)，控制對(duì)象的不確定性和系統(tǒng)擾動(dòng)的隨機(jī)性，為研究水下機(jī)器人系統(tǒng)帶來(lái)很大難度，目前還缺少一個(gè)統(tǒng)一的理論指導(dǎo)。因此研究水下機(jī)器人系統(tǒng)的非線性控制方法具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。本文基于微分幾何理論，從內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析水下機(jī)器人系統(tǒng)，探討控制水下機(jī)器人系統(tǒng)的有效方法。具體研究?jī)?nèi)容如下：
　　本論文以微分幾何為

2、指導(dǎo)思想，建立幾何與代數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，利用幾何度量，構(gòu)建水下機(jī)器人非線性系統(tǒng)動(dòng)力方程的幾何表達(dá)式。與坐標(biāo)系下的水下機(jī)器人數(shù)學(xué)模型相比，幾何表達(dá)著重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從幾何角度進(jìn)行對(duì)象分析，借助仿射聯(lián)絡(luò)將非受控系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為受控系統(tǒng)，形式上提供精確的水下機(jī)器人系統(tǒng)模型，為水下機(jī)器人自由度方向上解耦分析提供了依據(jù)。
　　針對(duì)水下機(jī)器人軌跡跟蹤控制問(wèn)題，在李群背景下通過(guò)轉(zhuǎn)換映射建立水下機(jī)器人誤差方程，提出了基于微分幾何與RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的PD+前

3、饋控制方法。該方法利用幾何特性實(shí)現(xiàn)了對(duì)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在學(xué)習(xí)過(guò)程中產(chǎn)生的逼近誤差的完全補(bǔ)償,提高了PD控制器對(duì)模型不確定項(xiàng)的控制能力。仿真表明所設(shè)計(jì)的控制器誤差小，精度高。
　　在充分考慮水下機(jī)器人系統(tǒng)水動(dòng)力和外界海流干擾帶來(lái)的影響下，提出了基于微分幾何的滑模預(yù)測(cè)控制方法和基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的L2干擾抑制魯棒控制方法。方法一實(shí)現(xiàn)了微分幾何方法與滑?？刂品椒ǖ挠袡C(jī)結(jié)合，通過(guò)反饋校正和滾動(dòng)優(yōu)化技術(shù)得到期望控制律，較好的克服了系統(tǒng)內(nèi)部不確

4、定性和外部海流干擾的同時(shí)，通過(guò)引入預(yù)測(cè)控制，消除了滑模控制的抖振問(wèn)題。方法二提出用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的逼近誤差形式上替代外界海流干擾，并以此建立AUV系統(tǒng)誤差方程，通過(guò)L2控制器對(duì)其抑制和消除。實(shí)現(xiàn)了在慢變海流干擾條件下對(duì)水下機(jī)器人系統(tǒng)軌跡的精確跟蹤控制能力。
　　針對(duì)水下機(jī)器人系統(tǒng)指令傳輸過(guò)程中出現(xiàn)的時(shí)滯問(wèn)題，提出連續(xù)預(yù)測(cè)控制，設(shè)計(jì)了模型預(yù)測(cè)控制與魯棒控制相結(jié)合的控制器。在魯棒控制器有效抵制系統(tǒng)受到的水動(dòng)力阻尼和外界海流干擾的基