自主水下航行器机械臂系统非线性PD控制器设计

针对自主水下航行器机械臂系统(AUVMS)的非线性、高耦合性和工作环境的复杂性,文中设计了基于线性扩张观测器(LESO)的控制方案。以带双连杆机械臂的自主水下航行器(AUV)为例,将系统分为5个子系统,将外部扰动(洋流、浪涌和涡流等干扰)与内部不确定性(建模不精确、耦合影响和测量误差等)视作总扰动,并设计LESO和线性反馈控制律进行估计与补偿。对LESO的收敛性与估计误差动力学进行了分析。考虑到AUV动力装置所产生的动力和力矩是有限的,在实际控制中需要对控制输入量针对动力装置的物理特性来设置上限,并且少有文献对带机械臂系统的AUV饱和控制进行研究,文中设计了具有输入饱和限制的非线性比例-微分(PD)控制器,并对控制器的稳定性进行了分析。利用LESO的总扰动思想来处理AUV机械臂系统的非线性、高耦合性和复杂扰动的控制难点,并以输入饱和控制器确保了控制方案的工业适用性。最后通过与传统PID与滑模控制器的对比分析及仿真验证了所提方案的有效性。