自治水下运载器—机械手系统协调控制研究

发布时间：2017-08-21 16:02

  本文关键词：自治水下运载器—机械手系统协调控制研究

  更多相关文章： 自治水下运载器-机械手系统 UVMS 冗余系统 浮游系统 运动学规划 轨迹跟踪 非线性鲁棒控制 连续性时延估计 离散时延估计 终端滑模控制

【摘要】：本文主要对自治水下运载器-机械手系统(underwater vehicle-manipulator systems,UVMS)协调控制技术进行了深入研究,包括运动学规划技术和关节空间轨迹跟踪控制技术这两方面内容。针对自治UVMS运动学冗余、各子系统动态响应特性不一致的特点,本文提出了一种基于模糊算法的多任务加权投影梯度法,有效解决了 UVMS的运动学规划问题。而针对存在强非线性耦合、较复杂参数不确定性及未知外干扰的自治UVMS关节空间轨迹跟踪控制难题,提出了基于时延估计(time delay estimation,TDE)的非线性鲁棒控制策略,解决了UVMS关节空间轨迹跟踪的非线性鲁棒控制难题。最终,将所提运动学规划算法和非线性鲁棒控制算法结合在一起,有效地实现了存在较大综合不确定性状态下的自治UVMS协调控制。本文共分为八章,各章内容概括如下:第一章,介绍了 UVMS发展的历史和国内外现状,并对构成UVMS协调控制技术的运动学规划技术和关节空间轨迹跟踪控制技术进行了详细的回顾和介绍。最后简述了本课题的研究意义、研究难点和研究内容。第二章,介绍了本课题所研究UVMS的开发背景、总体结构和各子系统的组成,并通过试验给出了执行器广义输出力和输入信号之间的拟合关系式。第三章,简述了水下运载器和水下电驱机械手各自的运动情况,建立了两者独立的运动学模型。而后将其融合得到相应的UVMS关节空间和任务空间的运动学模型。而对于动力学模型,考虑到UVMS的高维数及水动力参数的复杂性,一般很难通过严格的数学推导准确得到。因此,本章主要利用MATLAB/Simulink@下的SimMechanics工具箱和三维建模软件Solidworks建立了 UVMS的动力学模型。最终,在MATLAB/Simulink@环境下建立了完整的UVMS仿真模型。第四章,针对具有运动学冗余特性的UVMS运动学规划问题,提出了一种基于模糊算法的多任务加权投影梯度法。该方法利用模糊算法有效地解决了次要约束之间的优先级问题,然后采用加权投影梯度法在保证主任务的同时,较好的协调多个约束条件。最后,通过多组对比仿真研究验证了所提算法的有效性。第五章,针对存在强非线性耦合、较复杂参数不确定性及未知外干扰的UVMS关节空间轨迹跟踪控制难题,提出了一种基于连续性TDE技术的非线性鲁棒控制策略。该策略的核心思想是利用TDE技术构建控制器主体架构,然后采用其他控制方法实现对系统控制效果的调节。而TDE技术的核心思想是利用系统前一段时刻的运动状态量来估算当前时刻的系统集总动态模型,用以实现对系统动态的补偿。故基于TDE技术的控制器一般对系统动力学模型依赖较小。在此基础上,作者首先提出了一种基于TDE技术的PD控制器。该算法具有结构简单、易于应用的特点。而后,为进一步提升系统的控制品质,作者将终端滑模控制方法与TDE技术有机地结合在一起,提出了一种基于TDE技术的终端滑模控制器。使用Lyapunov稳定性理论,证明了当存在集总不确定项时系统的稳定性,并给出了系统跟踪误差的范围。为验证所提算法的有效性,本章将两种基于TDE技术的控制方法与传统PD控制器进行了对比仿真和水池试验研究。结果表明,相对传统PD控制器两种所提算法均可保证较好的控制性能和较强的鲁棒性,且具有对系统模型依赖程度低的优点。同时,基于TDE技术的终端滑模控制器可获取比基于TDE技术PD控制器更优的控制品质和鲁棒性。第六章,针对存在较大综合不确定性的UVMS关节空间轨迹跟踪控制难题,在前文所提基于连续性TDE技术的非线性鲁棒控制策略的基础上,为进一步提高系统控制品质、减弱测量噪声的影响,提出了 一种基于离散TDE技术的非线性鲁棒控制方法。一般来说,UVMS不会配备加速度测量传感器。而为了满足连续性TDE技术对加速度信息的需求,大多会对位置或速度信息微分以获取加速度信息。虽然可以通过降低控制器参数或增加滤波器来抑制测量噪声对系统控制效果的影响,但是这样可能会限制内环控制量对系统控制品质的调节作用。并且微分操作及额外的滤波器都会增加控制器的复杂性,加重计算负担,不利于控制器的工程实际应用。而与基于连续性TDE技术的控制方法相比,基于离散TDE技术的算法无需加速度信息,结构更加简单,更加适用于实际工程应用。使用Lyapunov稳定性理论,深入分析了闭环系统的稳定性。由理论分析知,系统轨迹的跟踪误差将收敛到一个小球域内。为验证所提算法的有效性,开展了仿真与水池试验研究。相关结果表明所提算法可以较好地保证系统跟踪控制品质,同时具有相对基于连续性TDE技术的非线性鲁棒控制算法更简单、更易于实际应用的结构。第七章,针对存在较大综合不确定性的UVMS协调控制难题,将上文所提UVMS运动学规划算法和非线性鲁棒控制算法有机地整合在一起,提出了一种UVMS协调控制策略,并通过仿真验证了所提控制策略的有效性。第八章,对本文的主要研究工作、结论和创新点进行了总结和归纳,针对UVMS协调控制的研究作出展望,并简单介绍了本课题未来所需继续开展的研究工作。
【关键词】：自治水下运载器-机械手系统 UVMS 冗余系统 浮游系统 运动学规划 轨迹跟踪 非线性鲁棒控制 连续性时延估计 离散时延估计 终端滑模控制
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U674.941
【目录】：

• 致谢5-7
• 摘要7-10
• Abstract10-22
• 第1章 绪论22-40
• 1.1 课题研究背景22-23
• 1.2 UVMS综述23-36
• 1.2.1 UVMS分类23-24
• 1.2.2 UVMS应用范围24-25
• 1.2.3 UVMS发展回顾25-31
• 1.2.4 自治UVMS协调控制研究综述31-36
• 1.3 课题研究意义、难点与内容36-40
• 1.3.1 课题研究意义36-37
• 1.3.2 课题研究难点37-38
• 1.3.3 课题研究内容及论文章节安排38-40
• 第2章 自治水下运载器-机械手系统结构及工作原理40-52
• 2.1 自治UVMS结构及工作原理40-42
• 2.2 三体水下运载器42-47
• 2.2.1 动力及控制系统42
• 2.2.2 推进器及其建模42-45
• 2.2.3 推进器布置及推力分配45-47
• 2.3 水下电驱机械手47-50
• 2.4 自治UVMS控制系统组成50-51
• 2.5 本章小结51-52
• 第3章 自治水下运载器-机械手系统建模52-70
• 3.1 水下运载器运动学建模52-54
• 3.2 水下机械手运动学建模54-59
• 3.2.1 连杆坐标系及齐次坐标变换矩阵54-58
• 3.2.2 雅克比矩阵58-59
• 3.3 自治UVMS运动学建模59-61
• 3.3.1 关节空间的运动学模型59-60
• 3.3.2 任务空间的运动学模型60-61
• 3.4 基于SimMechanics的UVMS动力学建模61-66
• 3.4.1 自治UVMS水动力建模62-65
• 3.4.2 机械手关节摩擦力建模65
• 3.4.3 自治UVMS动力学仿真模型建立65-66
• 3.5 自治UVMS仿真模型建立66-69
• 3.6 本章小结69-70
• 第4章 自治水下运载器-机械手系统运动规划研究70-89
• 4.1 自治UVMS运动规划问题及研究目标70
• 4.2 自治UVMS运动规划方法70-78
• 4.2.1 运动规划方法简述71-73
• 4.2.2 运动约束简述73-77
• 4.2.3 基于模糊算法的多任务加权投影梯度解77-78
• 4.3 自治UVMS运动规划仿真研究78-87
• 4.3.1 自治UVMS运动规划仿真模型建立78-81
• 4.3.2 基于模糊算法的多任务加权投影梯度解仿真研究81-87
• 4.4 本章小结87-89
• 第5章 基于时延估计的UVMS关节空间非线性鲁棒控制方法研究89-130
• 5.1 控制难点及研究目标89-91
• 5.2 终端滑模控制及时延估计方法回顾91-93
• 5.3 基于时延估计的UVMS关节空间终端滑模控制方法93-102
• 5.3.1 基于时延估计的PD控制器推导93-95
• 5.3.2 基于时延估计的终端滑模控制器推导95-96
• 5.3.3 基于TDE技术的终端滑模控制器闭环稳定性分析96-100
• 5.3.4 控制器调整100-101
• 5.3.5 补偿器设计101-102
• 5.4 仿真研究102-114
• 5.4.1 工况1仿真结果103-107
• 5.4.2 工况2仿真结果107-110
• 5.4.3 工况3仿真结果110-113
• 5.4.4 仿真结果分析及结论113-114
• 5.5 试验研究114-129
• 5.5.1 PD控制器试验结果115-118
• 5.5.2 基于TDE技术的PD控制器试验结果118-121
• 5.5.3 基于TDE技术的终端滑模控制器试验结果121-124
• 5.5.4 试验结果分析及结论124-129
• 5.6 本章小结129-130
• 第6章 基于离散时延估计的UVMS关节空间非线性鲁棒控制方法研究130-147
• 6.1 研究背景及相关技术发展现状130-131
• 6.1.1 研究背景及意义130-131
• 6.1.2 相关技术发展现状131
• 6.2 基于离散时延估计的UVMS关节空间控制方法131-135
• 6.2.1 基于离散时延估计的非线性鲁棒控制器设计131-133
• 6.2.2 稳定性分析133-135
• 6.2.3 补偿器设计135
• 6.3 仿真研究135-139
• 6.3.1 仿真结果135
• 6.3.2 仿真结果分析及结论135-139
• 6.4 试验研究139-146
• 6.4.1 试验结果139
• 6.4.2 试验结果分析及结论139-146
• 6.5 本章小结146-147
• 第7章 自治水下运载器-机械手系统协调控制综合仿真研究147-155
• 7.1 自治UVMS协调控制原理147
• 7.2 自治UVMS协调控制综合仿真研究147-154
• 7.2.1 仿真结果148-153
• 7.2.2 仿真结果分析及结论153-154
• 7.3 本章小结154-155
• 第8章 总结与展望155-160
• 8.1 论文总结155-158
• 8.2 创新点158-159
• 8.3 研究展望159-160
• 附录160-165
• 参考文献165-177
• 作者简介177-178

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本文编号：713786