欠驱动式水下监测机器人航路点轨迹跟踪控制技术研究

欠驱动式水下剖面监测机器人要实现对预定剖面轨迹航路点的跟踪观测,其航路点的轨迹跟踪控制技术是实现高精度剖面观测的关键。研究思路为:首先采用物理建模和实验验证方式对水下机器人进行动力学建模;其次通过设计分布式控制器A和控制器B以及两者之间的通信协议,实现对通信时延的实时计算;然后通过扰动前馈和逐次逼近转换方法,设计能有效抑制脐带缆等外扰动并解决通信网络时延的网络化前馈-反馈最优轨迹跟踪控制方法。其中为实现平滑控制通过设置跟踪误差阈值和控制切换面,设计一种能实现无抖振航路点轨迹跟踪的分段复合有限时间跟踪控制方法。研究步骤为机器人动力学建模、前馈-反馈最优跟踪控制和分段复合有限时间跟踪控制算法设计以及控制方法的仿真和实验验证,分步进行并验证设计方法的有效性,为欠驱动式水下剖面监测机器人的轨迹跟踪控制技术提供理论依据。

欠驱动桥式吊车自适应PID控制

桥式吊车是一类非线性、强耦合、多变量的复杂欠驱动机械系统,其控制器设计具有一定的难度;针对桥式吊车的防摇定位控制问题,提出了一种自适应PID控制策略,先用RBF神经网络在线辨识被控对象的Jacobian信息,然后用学习速率更快的Levenberg-Marquardt算法代替传统的梯度下降法整定PID控制器参数,很好地实现了桥式吊车的防摇定位控制;文中所提出的控制方法具有结构简单,容易实现的特点;最后通过三组仿真实验证实了这种自适应PID控制器具有良好的控制效果。

水下机器人移动式对接的全局路径规划方法

针对无人自主式水下机器人与母艇动态对接时面临的自主式水下机器人欠驱动操纵特性对全局路径的多几何约束要求,以及母艇运动带来的交会点动态变化导致路径的终端约束动态变化等难题,本文提出了一种自主式水下机器人的自主对接路径规划方法。该方法主要分为约束求解、运动规划和状态估计3部分。利用自主式水下机器人的动力学模型分析了在对接过程中的运动约束与终端约束;在运动约束和终端约束条件的前提下,基于势场法的思想分别设计了位置约束和姿态约束下的全局路径规划算法,同时提出母艇的位置、速度和姿态估计方法,并依此开展基于全局预测的路径规划方法的仿真。仿真结果表明:本文方法运算速度快、对母艇的状态具有很好的鲁棒性,并且满足运动约束和终端约束,可以在试验模拟真实自主式水下机器人归航时得到一条满足约束条件的光滑路径的路径规划算法。

桥式起重机系统的传感故障容错控制研究

针对欠驱动桥式吊车系统的小车位置传感器故障问题,设计了一种基于观测器的自适应容错控制算法。考虑小车位置传感器出现了大小和符号均未知的故障,为了实现系统稳定下的定点和防摆控制目标,提出了由基于K滤波器的观测器以消除未知传感器故障的影响,同时引入Nussbaum增益来减轻故障未知符号的影响,二者共同组成自适应容错控制器使得桥式起重机可在传感器故障下依然实现控制目标。同时,基于李雅普诺夫稳定性理论,利用反步法证明了欠驱动桥式起重机系统的稳定性。最后,利用MATLAB验证了控制方案的可行性。

欠驱动AUV自适应神经网络反步滑模跟踪控制

针对存在参数不确定性和外界未知干扰的欠驱动自主水下航行器(AUV)三维路径跟踪问题,提出一种基于神经网络的反步滑模控制策略.首先,利用虚拟向导的方法建立了欠驱动AUV三维路径跟踪误差模型;其次,基于李雅普诺夫稳定性理论,利用反步法和滑模控制方法设计一种自适应鲁棒控制器,并设计一种在线调节增益切换函数以降低系统抖振,同时采用径向基函数(RBF)神经网络控制技术对AUV系统中不确定参数以及外界非线性千扰进行自适应补偿估计,而后利用李雅普诺夫稳定性理论证明了整个闭环系统的稳定性;最后,针对一种新型飞翼式欠驱动AUV进行数值仿真实验,结果表明所设计控制器可以实现对三维路径的精确跟踪,并对外界非线性干扰具有良好的鲁棒性.

一种基于分段能量分析的桥式吊车镇定控制器设计方法

针对欠驱动桥式吊车系统,提出了一种基于分段能量分析的桥式吊车镇定控制器没计方法.具体而言,首先通过对系统特性进行分段分析构造出一个新的能量函数;随后,在其基础上设计了一种新型的能量控制器,并借助Lyapunov方法和LaSalle不变性原理证明了闭环系统的渐近稳定性.利用数值仿真与实际实验验证了所提出的控制算法具有良好的控制性能,对外界干扰具有较强的鲁捧性.此外,实验结果进一步表明:相比常规的能量控制方法与时间最优控制方法,该控制方法可降低驱动能耗,保征台车的快速精确定位,同时负载的摆角被抑制在更小的范围内,几乎无残余摆动.