[发明专利]一种基于扩张状态观测器的水下机器人滑模控制方法

说明书

本发明公开了一种基于扩张状态观测器的水下机器人滑模控制方法，首先建立惯性坐标系下水下机器人系统模型，即其惯性系下运动方程；然后针对该水下机器人设计三阶扩张状态观测器，并通过求解线性矩阵不等式给出扩张状态观测器的参数；然后设计连续终端滑模控制器对水下机器人进行控制。该方法鲁棒性强，能够获得更高的控制精度和更快的相应速度，便于工程实现。

技术领域

本发明属于水下机器人控制方法，涉及一种基于扩张状态观测器的水下机器人滑模控制方法。

背景技术

由于空间技术的快速发展，作为验证地面空间技术的必要步骤，微重力仿真技术受到国内外越来越多的广泛关注；水下机器人提供了一个稳定的微重力的环境用来模拟空间中机械设备所处环境，六自由度水下机器人结构之间的耦合性很强，模型的非线性也很高；此外，由于受到水流速度，以及水流粘性阻力等外部扰动的影响，导致比一般机械设备控制难度更高。

当前针对水下机器人的控制策略大多只能获得渐近稳定结果，而且鲁棒性能较差，而对于六自由度水下机器人的强耦合性，强非线性以及复杂的外部扰动，提高系统的鲁棒性能，控制精度以及响应速度具有十分重要的意义；为了进一步提高控制精度以及提高响应速度，同时提高系统的鲁棒性能，我们采用基于扩张状态观测器的滑模控制策略，来获得有限时间稳定结果。

对于传统的自抗扰控制策略，主要包括以下三部分：跟踪微分器，非线性反馈控制律以及扩张状态观测器。跟踪微分器能够合理安排过渡过程，产生给定信号的跟踪信号和微分信号。扩张状态观测器是自抗扰控制器的核心部分，其核心思想是把模型不确定性引起的内部扰动和环境引起的外部扰动都归结为系统的“总扰动”而进行实时估计并给予补偿。非线性反馈控制律是对误差反馈设计非线性组合，从而获得更好的控制效果。同时，非线性的自抗扰控制策略从控制性能上优于线性自抗扰控制方法，但是同样无法获得有限时间稳定结果。同时对于三阶非线性扩张状态观测器参数调节只能凭借经验，并没有理论指导参数调节，给工程应用带来了很大的困难。

滑模控制中系统在滑动模态下与系统参数不确定和外界干扰无关，因此滑模控制能提供快速响应，对系统参数变化和外界干扰不敏感，无需系统辨识等众多优点。但是，一方面一般滑模控制存在的高频抖动不仅破坏了系统的精确性，且会增加系统能量消耗。另一方面控制律的不连续性同样会导致机器人控制力矩的不连续性，从而影响系统性能。

发明内容

本发明提供了一种基于扩张状态观测器的水下机器人滑模控制方法，通过建立惯性坐标系下的水下机器人系统模型，并且设计扩张状态观测器，同时给出扩张状态观测器的参数，设计连续终端滑模控制器对水下机器人进行控制，该方法鲁棒性强，能够获得更高的控制精度和更快的相应速度，便于工程实现。

本发明的技术方案是：一种基于扩张状态观测器的水下机器人滑模控制方法，包括以下步骤：

步骤S1，建立惯性坐标系下水下机器人动力学模型和运动学模型，并且根据其动力学模型和运动学模型建立水下机器人惯性系下运动方程

步骤S2，构建三阶扩张状体观测器：

其中i＝1,2,3,4,5,6和β_i1,β_i2,β_i3为观测器增益，观测误差为e_i1(t)＝z_i1(t)-η_i(t)，e_i2(t)＝z_i2(t)-v_i(t)，e_i3(t)＝z_i3(t)-f_i(t)，f_i(t)为未知扰动；并且通过线性不等式调整观测器的参数；