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申请/专利权人：中国海洋大学

摘要：本发明公开一种用于水下机器人艏摇姿态控制器的求解方法，以艏摇方向模型作为控制对象，对其线性化并得到被控对象及不确定性参数界，选择设计鲁棒控制器的结构约束条件，采用区间分析理论进行全局优化计算，最后收敛得到控制器参数结果；本发明采用固定结构约束鲁棒控制策略，确保了控制系统对模型不确定性和外部干扰具有鲁棒性的同时，有效降低控制器的阶数，使其在物理上更易于实现；区间分析理论将控制求解转变为全局优化计算，解决了传统方法无法求解给定控制器结构约束的鲁棒综合求解难题；本发明还在全局优化问题中得到兼具鲁棒性和简洁性的低阶机器人艏摇姿态控制器，更利于控制器工程实现。

主权项：1.用于水下机器人艏摇姿态控制器的求解方法，其特征在于，包括：S1，建立水下机器人多自由度运动模型；包括： ，其中，为惯性矩阵，为附加质量矩阵，为阻尼矩阵，是水下机器人回复力；为外部环境作用产生的推力向量，为推进器产生的推力向量；位姿向量为大地坐标系下机器人的位置和角度分量，速度向量为体坐标系下定义的线速度和角速度分量；为力和力矩分量组成的推力向量；位姿向量和速度向量在体坐标和大地坐标上的变换关系矩阵为： ； 由线速度旋转矩阵和角速度旋转矩阵组成，分别定义为： ， ；S2，估计模型参数，提取艏摇方向模型作为控制对象；包括：使用数值计算工具估计水下机器人的惯性矩阵、附加质量矩阵和阻尼矩阵，具体包括：（1）使用机械设计工具确认水下机器人的重心位置，计算质量和惯量参数，定义为质心到体坐标原点之间的向量，可推得刚体惯性矩阵： ；（2）水动力作用表述为:,对于小型零浮力水下机器人可忽略回复力和科式力；使用数值计算工具切割机器人表面为三角形或四边形微元，根据切片计算结果推得水下机器人的附加质量矩阵；（3）忽略高于二阶的阻尼项，划分为线性阻尼和二次型阻尼两部分，使用计算流体软件ANSYS-CFX或STAR-CCM+计算水下机器人多自由度阻尼力和力矩参数；提取艏摇方向模型： ；其中，为刚体转动惯量，为附加转动惯量，为非线性阻尼系统数，为线性阻尼系数，为艏摇角速度，为推进器产生的力矩；S3，线性化艏摇方向模型，并得到被控对象及不确定性参数界；包括：根据水动力计算结果在上构造一个补偿力矩，有： ；式中，是进行非线性补偿后的预期线性阻尼系数，和分别为计算流体软件所估计出的线性和非线性阻尼系数；阻尼参数的流体软件估计结果与真实阻尼结果的误差为；的选取要保证推进器的补偿输出尽可能小，，由此推得被控对象为： ；控制器设计时根据及其裕量合理设定不确定性参数边界；S4，选择设计鲁棒控制器的结构约束条件；包括：采用表示满足结构约束条件的所有可行控制器构成的集合，则鲁棒控制器应使得所有带不确定参数的模型均能满足稳定性条件： ；采用区间分析工具求解在不确定参数集作用下的最坏情况对应的范数，进而求得满足鲁棒约束条件的结构化控制器：根据上述思路，是控制综合过程中需要优化求解的目标对象，自由选取约束条件，确定控制参数及其作用关系，控制器进一步表示为；评价输入到评价输出之间的传递函数矩阵增加结构约束信息，即；是矩阵传递函数元素中取得某一输入到输出方向上增益极值的结果；结构约束通过可变参数直接影响闭环系统性能，系统性能指标也变为空间中一个随参数变化的传递函数矩阵，其传递函数中的分子分母多项式均会随着参数变化： ；将MIMO系统的范数拆解为个独立的MISO系统的范数进行约束求解，考虑到范数定义有： ；再考虑，则使闭环系统稳定的控制器需要满足下列目标： ，因为，，问题简化为： ，对于标准线性系统来说，可根据劳斯赫尔维茨稳定性判据构造出个带参数的不等式；由此，结构约束鲁棒控制综合问题表述为： ；S5，采用区间分析理论进行全局优化计算；S6，计算收敛得到控制器参数结果。

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权利要求：

百度查询： 中国海洋大学 用于水下机器人艏摇姿态控制器的求解方法