近水面作業(yè)的機(jī)器人綜合減搖研究

張立華，吳宏圣，張 杰

(1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 光電技術(shù)研發(fā)中心，長春 130033;2.一汽轎車股份有限公司 產(chǎn)品部電氣系統(tǒng)科，長春 130033)

近水面作業(yè)的機(jī)器人綜合減搖研究

張立華1，吳宏圣1，張 杰2

(1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 光電技術(shù)研發(fā)中心，長春 130033;2.一汽轎車股份有限公司 產(chǎn)品部電氣系統(tǒng)科，長春 130033)

近水面作業(yè)的機(jī)器人會受到波浪干擾力的影響，很難保持穩(wěn)定的姿態(tài)。根據(jù)機(jī)器人近水面作業(yè)時所受到的波浪干擾力的計算方法和機(jī)器人六自由度模型的狀態(tài)空間表達(dá)式，計算出適用于變結(jié)構(gòu)控制器的狀態(tài)空間方程。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了積分變結(jié)構(gòu)控制器的設(shè)計過程，然后借助Matlab軟件，對機(jī)器人的橫搖、縱搖運(yùn)動中帶有PID控制器和帶有變結(jié)構(gòu)控制器兩種情況分別進(jìn)行仿真，經(jīng)過對比分析，變結(jié)構(gòu)控制器較好的控制了機(jī)器人的姿態(tài)。

近水面機(jī)器人;運(yùn)動模型;綜合減搖;積分變結(jié)構(gòu)控制器

開發(fā)海洋資源是人類一直面臨的重大課題，因此開發(fā)海洋作業(yè)的機(jī)器人成為各國的重點研究之一。我國在本世紀(jì)初也開展了水下機(jī)器人的設(shè)計研究，取得了很多成就，如沈陽自動化研究所設(shè)計的水下機(jī)器人可以在環(huán)境惡劣的條件下救助落水者［1］，哈爾濱工程大學(xué)在減搖控制方面也進(jìn)行了很多理論研究［2，3，4，5］。在近水面機(jī)器人的控制算法中，變結(jié)構(gòu)控制(即滑模控制)因其滑動面的設(shè)計與控制對象的參數(shù)以及各種干擾無關(guān)，而且響應(yīng)快、對參數(shù)和外干擾變化不靈敏、物理實現(xiàn)簡單等優(yōu)點，成為在機(jī)器人近水面控制的主要應(yīng)用［6］。

傳統(tǒng)的機(jī)器人的姿態(tài)控制中，控制翼一般被用來控制航向、縱傾角、橫傾角、深度等，而不控制橫搖和縱搖?？刂埔碓谶M(jìn)行運(yùn)動控制時，左右兩弦的翼轉(zhuǎn)動方向和角度是一樣的。本文對機(jī)器人在近水面作業(yè)時產(chǎn)生的橫搖與縱搖運(yùn)動進(jìn)行研究，在首鰭處于自然狀態(tài)，保持機(jī)器人定深情況下，尾鰭可以像減搖鰭一樣作方向相反的轉(zhuǎn)動，以產(chǎn)生減搖力矩。設(shè)計的控制系統(tǒng)可以控制尾鰭的動作進(jìn)而對橫搖及縱搖進(jìn)行減搖［7］。

1 海浪干擾的描述

在本文的研究中，我們應(yīng)用了圖1所示的機(jī)器人作為研究對象，其六自由度運(yùn)動的動力學(xué)模型在文獻(xiàn)［8］中有很好的介紹及研究。

圖1 水下機(jī)器人模型

水下機(jī)器人在近水面作業(yè)時，會受到波浪干擾力的作用［5］，姿態(tài)很難保持穩(wěn)定。計算水下機(jī)器人在近水面處運(yùn)動時所受到的波浪干擾力，可以參考近水面處運(yùn)動的潛艇受到的干擾力的計算方法。

經(jīng)過計算得到一階波浪力的計算公式如式(1):

二階波浪力(波吸力)的計算公式如式(2):

海浪施加在近水面水下作業(yè)的機(jī)器人的干擾力，可以看作是一階波浪力與二階波浪力的合力［6］，因此得到波浪干擾力的表達(dá)式，如式(3):

2 近水面機(jī)器人六自由度模型分析

近水面機(jī)器人可以視為剛體，因此機(jī)器人六自由度空間模型如下［7］:

3 積分變結(jié)構(gòu)控制器的設(shè)計

設(shè)計合理的切換函數(shù)以及正確的變結(jié)構(gòu)控制規(guī)律是變結(jié)構(gòu)控制器的關(guān)鍵問題。根據(jù)多輸入非線性系統(tǒng)化為可控正則型的方法［10］，將近水面作業(yè)的水下機(jī)器人的六個自由度模型化為可控正則型。

變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的切換面:

S=［s1s2s3s4s5s6］T=CX=［C1e1C2e2C3e3C4e4C5e5C6e6］T，切換面是獨立于控制的，可以通過極點配置法來確定C。

對于第i個子系統(tǒng)，可以用下式為其簡約型的表達(dá)式:

為了削弱抖振，本文選擇等速趨近率，如下式

將式(19)帶入式(20)，得到水下機(jī)器人基于指數(shù)趨近率的變結(jié)構(gòu)控制器，如下式:

4 系統(tǒng)仿真分析

近水面作業(yè)的機(jī)器人由于受到波浪干擾力和力矩的影響，運(yùn)動狀態(tài)將會發(fā)生非常大的變化，同時姿態(tài)也會很快的變化，姿態(tài)將很難維持穩(wěn)定［11］。此時，必須快速和實時控制近水面作業(yè)的機(jī)器人的姿態(tài)，因此需要橫搖系統(tǒng)和縱搖系統(tǒng)做出很快的響應(yīng)。所以六個子系統(tǒng)的極點值如下［12］:子系統(tǒng)一和子系統(tǒng)三的極點值是Λ1=Λ3={－0.06}，子系統(tǒng)二和子系統(tǒng)四的極點值是Λ2=Λ4={－0.05}，子系統(tǒng)五和子系統(tǒng)六的極點值是Λ5=Λ6={－0.03}。由前面切換面的計算公式可以得到切換面為:C1=C3=［0.06，1］，C2=C4=［0.05，1］，C5=C6=［0.03，1］。

假定在海浪的有義波高為0.88m，距離水面3m處，近水面機(jī)器人的航行速度為6m/s，海浪遭遇角為90°，此時，近水面機(jī)器人由于受到海浪力的干擾，姿態(tài)很難保持穩(wěn)定［13］。經(jīng)過Matlab仿真，圖2和圖4分別是帶有普通PID控制器的近水面機(jī)器人的橫搖角和縱搖角隨時間的變化圖形。

圖2 PID控制器減搖時的橫搖角

圖3 變結(jié)構(gòu)控制器減搖時的橫搖角

機(jī)器人的首鰭用于控制水下潛水的深度，尾鰭用于控制水下機(jī)器人保持姿態(tài)［8］。圖2可以看出整個運(yùn)動過程中，橫搖角度值在0角度處左右變化，并且變化幅值很大，最大值達(dá)到15°，可以看出角度變化曲線的對稱軸在0角度軸以上。因此可以推測，因為受波浪力的作用，且波浪遭遇角為90°，雖然有PID控制器保持姿態(tài)，但近水面機(jī)器人橫搖角一邊的搖擺幅值大于另一邊的搖擺幅值，很可能會發(fā)生側(cè)翻。而圖3變結(jié)構(gòu)控制器控制的近水面機(jī)器人，可以看出橫搖角度值在0角度值處變化，并且變化幅值很小。

圖4可以看出整個運(yùn)動過程中，縱搖角度值在0角度處上下變化，并且變化幅值很大，最大值達(dá)到12°。尤其在60s至120s的仿真階段，縱搖角度值始終在0角度值上。而圖5變結(jié)構(gòu)控制器控制的近水面機(jī)器人，可以看出縱搖角度值在0角度處變化，并且變化幅值非常小。因此，本文設(shè)計的控制器能夠較好的控制近水面作業(yè)機(jī)器人姿態(tài)運(yùn)動。

圖4 PID控制器減搖時的縱搖角

圖5 變結(jié)構(gòu)控制器減搖時的縱搖角

根據(jù)常用評估減搖裝置效果的方法，借助式(22)來評價減搖效果［14］。

根據(jù)上述公式計算了近水面機(jī)器人的減搖效果，計算結(jié)果見表1:

表1 減搖效果對比表

5 結(jié)語

本文首先分析了近水面作業(yè)的機(jī)器人受到的海浪干擾力和干擾力矩的計算方法，根據(jù)機(jī)器人實際航行狀態(tài)分析得到近水面航行狀態(tài)下機(jī)器人六自由度運(yùn)動模型，針對近水面作業(yè)的機(jī)器人運(yùn)動模型存在的非線性和耦合性設(shè)計了基于積分變結(jié)構(gòu)控制策略的控制器。借助Matlab仿真軟件對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明，在本文設(shè)計的控制器控制下機(jī)器人綜合減搖取得了較好的減搖效果，并且具有系統(tǒng)抖振小，動態(tài)性能良好等優(yōu)點。

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Research on Integrated Stabilization for Robot Working Near Sea Surface

ZHANG Li-hua1，WU Hong-sheng1，ZHANG Jie2

(1.Center for Photoelectric Technology Development，Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics of Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China;2.Section of Electrical System of Product Division，F(xiàn)AW Car Co.，Ltd，Changchun 130033，China)

The robots working near sea surface will be influenced by wave force and they are difficult to maintain a stable state.According to the calculation method of wave force that influences robots working near the sea surface and the state space representation of the robot six-degree-freedom model，the state space equation which is suited to integral variable structure controller is calculated.Then the process of integral variable structure controller for robot is designed.By Matlab software，we simulate the roll and pitch motion with PID controller and with the integral variable structure controller.Through comparison，integral variable structure controller can better control robot’s state.

near-sea-surface robot;motion model;integrated stabilization;integral variable structure controller

U666

A

1009－3907(2012)08－0918－05

2012-06-05

張立華(1984-)，女，吉林長春人，研究實習(xí)員，碩士，主要從事自動控制、嵌入式系統(tǒng)方面研究;吳宏圣(1974-)，男，吉林長春人，副研究員，碩士，主要從事光電位移檢測技術(shù)方面研究。

責(zé)任編輯:吳旭云