[发明专利]一种水下机器人多电机推进系统及控制方法

说明书

本发明公开了一种水下机器人多电机推进系统及控制方法，针对水下机器人本体结构，提出一种带转速比例模块的偏差耦合控制结构和一种带转速比例模块的交叉耦合控制结构，以提高水下机器人运动的灵活性和多电机推进系统的鲁棒性。又因为永磁同步电机作为一个结构复杂、参数众多的非线性控制系统，传统的PID控制算法难以取得满意的控制效果，本发明提出一种多模态快速非奇异终端滑模控制算法，以解决系统不确定性、响应缓慢和抖振较严重的问题。最终以实现水下机器人在水下复杂环境灵活、高精度和平稳控制。

技术领域

本发明涉及一种水下机器人系统以及控制方法，尤其涉及一种水下机器人多电机协同推进系统及控制方法。属于电机控制和水下机器人控制技术领域。

背景技术

水下机器人对采油树的安装分以下几个过程：目视检测、开/关井口盖、跟踪/监视采油树、协助采油树与井口或采油树回收工具与采油树对接、调整采油树方位、锁紧/解锁、压力测试等。因为在深海环境中，存在非线性流体动力和以暗流为代表的强烈干扰，这些因素使得水下机器人的动力学模型难以准确，而且机器人系统具有强耦合和非线性的特点。为了实现水下机器人在广阔而复杂的海洋环境中对采油树安全、平稳、有效、准确的安装，这就必须对水下机器人的多电机推进系统提出更高的性能要求。

多电机系统控制结构分两种：一种是机械方式，另一种是电方式。机械方式在水中运行条件太苛刻。与此相反，电方式使用方式十分灵活，该控制一般可分为非耦合控制策略和耦合控制策略。其中，非耦合控制策略常用的有主令参考协调控制方式和主从协调控制方式。非耦合的协同控制方式结构简单、容易实现，但其缺陷在于当某一电机的负载、速度或位置等发生变化时，其它电机就不能做相应调整，从而影响到协调性能。针对这一现象，耦合控制策略应运而生。耦合控制常用的为三种：交叉耦合控制、相邻耦合控制、偏差耦合控制。由于以上3种传统控制策略只能实现多电机完全同步和比例同步运行，根据水下辅助采油有缆遥控机器人技术要求，并且多电机比例同步运行中各电机转速的比例不是固定的，因此以上耦合控制结构不能完全适合水下机器人。

在多电机系统控制方法研究中，由于永磁同步电机是一个多变量、非线性、强耦合的系统，容易受电机参数变化和负载扰动等不确定因素的影响，并且采用传统的PID控制方法难以取得令人满意的控制效果。由于滑模控制能够克服系统的不确定性，对干扰和未建模动态具有很强的鲁棒性，尤其是对非线性系统的控制具有良好的控制效果。因此有学者采用基于比例切换函数的滑模控制方法，并对永磁同步电动机实现了较好的速度控制，但抖振现象较为明显且无限时间收敛。针对该问题，采用非奇异终端滑模控制方法可使系统状态在有限时间内收敛为零，克服了普通滑模在线性滑模面渐近收敛的缺点，且非奇异终端滑模无切换项，可明显的降低抖振，但非奇异终端滑模在远离平衡点时又存在收敛缓慢的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水下机器人多电机推进系统及控制方法。为了增强水下机器人灵活性、操作性和鲁棒性，在多电机推进系统方面，本发明提出一种带转速比例模块的偏差耦合控制结构和一种带转速比例模块的交叉耦合控制结构；在多电机控制算法方面，本发明提出一种多模态快速非奇异终端滑模控制算法，以实现水下机器人在广阔而复杂的海洋环境中对采油树安全、平稳、有效、准确的安装。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：