基于Backstepping方法的水下机器人自适应滑模控制技术研究

【摘要】： 无人无缆水下机器人工作在复杂的海洋环境,其自身的环境感知能力和外部对其监控能力的技术和手段与陆上和空间机器人相比都有很大不足,智能控制技术是水下机器人研究和应用的核心技术之一。水下机器人在水下航行和作业时,由于建模的不确定性和外部干扰的作用,实现水下机器人的精确运动控制成为水下机器人智能控制技术研究中一个亟待解决的问题。 本文以实验室自主研制的“海狸”开架式水下机器人为研究对象,考虑建模不确定性和外部干扰的作用,本文提出了一种添加不确定项的水下机器人修正动力学模型,对模型参数进行了离线辨识,并进行了修正前后模型应用的对比实验,实验结果比较分析验证了修正模型应用于控制器在控制精度以及抗干扰性能方面的优越性。 水下机器人运动控制模型是一个典型的非线性系统模型,滑模控制方法和Backstepping(反步、反演、反向递推)控制方法是非线性控制中的强有力工具,在非线性控制领域中,基于Backstepping设计方法滑模控制技术已经引起了广泛的关注。本文旨在探讨水下机器人自适应Backstepping滑模控制技术,并提出了一种基于Backstepping的水下机器人综合控制方法。通过各控制器仿真对比实验验证了本文所提出的控制器能有效的抑制抖振,通过水池对比实验验证了本文所提出的控制器在控制性能和抗干扰性能方面的有效性。 针对开架式水下机器人的控制系统结构特点,提出了一种基于函数重载机制的人机界面通信操作方法,缩短了程序段长度,解决了程序无法正常关闭的问题;采用了一种模块化编程策略实现了控制程序的模块化编制,控制模块已成功移植应用到实验室“海梭”水下机器人中。