摘要:对 6 自由度水下机器人的动力学与运动控制进行研究。首先考虑重力、浮力、推力以及水动力的影响,建
立水下机器人的动力学模型,对机器人的复杂水下动力学行为进行描述。在此基础上,根据解出加速度法设计非
线性控制器,包括内外两个控制回路。其中外控制回路根据机器人实际轨迹与期望轨迹之间的偏差进行负反馈控
制,内控制回路根据机器人动力学特性引入非线性补偿,把机器人转化为一个更易于控制的线性系统,从而准确
实现对理论轨迹的跟踪。最后对水下机器人跟踪目标进行运动控制仿真。从仿真结果可以看出,利用该方法可以
使水下机器人具有良好的轨迹跟踪能力。
关键词:水下机器人 运动控制 动力学 解出加速度法
中图分类号:TP242.2
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前言
水下机器人能够在水下执行多种作业,因此不
仅有着广泛的军事用途,而且还是开发海洋资源的
重要工具。近年来,水下机器人的研究倍受重视,
已成为发达国家军事海洋技术研究的前沿。由于水
下环境复杂,影响运动的因素较多,因此如何设计
机器人的运动控制系统是一个十分复杂的问题
[1]
。
目前,在对水下机器人的运动控制进行研究时,多数
从控制的角度出发提出多种方法,对机器人的运动偏
差从外部进行纠正与补偿,使该问题得到一定程度的
解决
[2-3]
。但是,为了更有效地提高机器人的整体运
动性能,还同时需要对机器人的复杂水下动力学
行为进行深入研究。从现有的相关研究看,通常
把机器人的动力学行为简化到若干典型平面中,然
后再分别对机器人在典型平面内的运动进行控
制
[4-5]
。显然,这对于控制水下机器人的复杂运动是
不够的。
本文从动态控制的角度出发,综合考虑重力、
浮力、推力和水动力的影响,建立了比较完整的 6
自由度水下机器人的动力学模型。在此基础上根据
解出加速度法设计非线性控制器,引入非线性补偿,
把机器人转化为一个更易于控制的线性系统,从而
准确实现对轨迹的跟踪。
��国家自然科学基金(50075008)和国家高技术研究发展计划(863
计 划,2001AA421200)资助项目。20060709 收到初稿,20070131
收到 修改稿
1 机器人运动坐标系及坐标变换
为便于研究水下机器人的运动、建模与控制,
需要建立两个正交坐标系,分别为大地坐标系和局
部坐标系。其中,大地坐标系以发射点为原点,Ox
轴、Oy 轴在水平面内,Oz 轴沿铅垂方向竖直向下,
如图 1 所示。为便于描述刚体运动,在水下机器人
上建立如图 2 所示的局部坐标系。该坐标系的原点
与机器人的重心重合,O' x' 轴沿水下机器人的纵轴
方向,O'y' 轴垂直 O'x' 轴并指向右舷方向,O'z' 轴
垂直于 O'x' 轴与 O'y' 轴组成的平面,其方向按右手
定则判定。
图 1 大地坐标系
图 2 局部坐标系
在建立坐标系的基础上,可以得出局部坐标系
到大地坐标系的速度、角速度转换矩阵分别为