自治水下機器人的非線性控制方法研究.pdf

1、水下機器人作為開發(fā)海洋的重要工具受到了極大的關注。其各種復雜作業(yè)和安全航行對水下機器人的運動控制提出了更高要求。然而作為典型非線性系統(tǒng)，控制對象的不確定性和系統(tǒng)擾動的隨機性，為研究水下機器人系統(tǒng)帶來很大難度，目前還缺少一個統(tǒng)一的理論指導。因此研究水下機器人系統(tǒng)的非線性控制方法具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義。本文基于微分幾何理論，從內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析水下機器人系統(tǒng)，探討控制水下機器人系統(tǒng)的有效方法。具體研究內(nèi)容如下：
　　本論文以微分幾何為

2、指導思想，建立幾何與代數(shù)的對應關系，利用幾何度量，構(gòu)建水下機器人非線性系統(tǒng)動力方程的幾何表達式。與坐標系下的水下機器人數(shù)學模型相比，幾何表達著重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從幾何角度進行對象分析，借助仿射聯(lián)絡將非受控系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為受控系統(tǒng)，形式上提供精確的水下機器人系統(tǒng)模型，為水下機器人自由度方向上解耦分析提供了依據(jù)。
　　針對水下機器人軌跡跟蹤控制問題，在李群背景下通過轉(zhuǎn)換映射建立水下機器人誤差方程，提出了基于微分幾何與RBF神經(jīng)網(wǎng)絡相結(jié)合的PD+前

3、饋控制方法。該方法利用幾何特性實現(xiàn)了對RBF神經(jīng)網(wǎng)絡在學習過程中產(chǎn)生的逼近誤差的完全補償,提高了PD控制器對模型不確定項的控制能力。仿真表明所設計的控制器誤差小，精度高。
　　在充分考慮水下機器人系統(tǒng)水動力和外界海流干擾帶來的影響下，提出了基于微分幾何的滑模預測控制方法和基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡的L2干擾抑制魯棒控制方法。方法一實現(xiàn)了微分幾何方法與滑?？刂品椒ǖ挠袡C結(jié)合，通過反饋校正和滾動優(yōu)化技術得到期望控制律，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，通過引入預測控制，消除了滑?？刂频亩墩駟栴}。方法二提出用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡產(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L2控制器對其抑制和消除。實現(xiàn)了在慢變海流干擾條件下對水下機器人系統(tǒng)軌跡的精確跟蹤控制能力。
　　針對水下機器人系統(tǒng)指令傳輸過程中出現(xiàn)的時滯問題，提出連續(xù)預測控制，設計了模型預測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)受到的水動力阻尼和外界海流干擾的基