自由度下的水下機器人控制器抗干擾設(shè)計

張曙光，沈 霖

（杭州第一技師學院 電氣工程系，浙江 杭州310023）

自由度下的水下機器人控制器抗干擾設(shè)計

張曙光，沈 霖

（杭州第一技師學院 電氣工程系，浙江 杭州310023）

針對傳統(tǒng)的機器人控制器設(shè)計容易受到水流沖擊壓力不定的因素干擾，導(dǎo)致控制器穩(wěn)定性差、工作效率低下的問題。提出一種6自由度下的水下機器人控制器抗干擾設(shè)計方法，通過水下機器人6自由度空間動力學方程，及其在慣性坐標下的6自由度空間動力學方程，并給出水下機器人期望狀態(tài)的約束條件，獲取水下機器人濾波跟蹤誤差及水下機器人系統(tǒng)的誤差動力學方程，以此實現(xiàn)控制器的抗干擾設(shè)計，實驗結(jié)果表明，所提方法下水下機器人控制器的控制誤差、位置誤差及跟蹤誤差均小于傳統(tǒng)方法。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)；水下機器人；控制器；空間動力學

隨著海洋經(jīng)濟的迅速發(fā)展，可完成海洋資源開發(fā)與探測的水下機器人受到了相關(guān)學者的廣泛關(guān)注[1-3]。具有良好動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能的控制器是水下機器人實現(xiàn)高質(zhì)量水下探測的關(guān)鍵[4-8]。尤其是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）等新技術(shù)的出現(xiàn)，給相關(guān)研究帶來了進一步的促進，恰好適用于水下機器人控制器設(shè)計領(lǐng)域[9-11]。

但是，在對水下機器人控制器進行設(shè)計的過程中，受到水下特殊環(huán)境的干擾，水下機器人的控制器容易出現(xiàn)抖振等情況，導(dǎo)致控制器工作存在較大缺陷，無法穩(wěn)定完成任務(wù)[12-15]。

提出一種帶有抗干擾功能的水下機器人控制器設(shè)計方法，提高水下機器人控制器對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近誤差與外界干擾的魯棒性。仿真實驗結(jié)果表明，所提方法具有很高的穩(wěn)定性。

1 問題的提出

對目前常用的水下機器人進行控制時，容易受到水流速度的影響，控制出現(xiàn)偏差，其多采用6自由度空間動力學進行處理，則控制方程可描述成：

式中，M用于描述慣性矩陣，其中包含機器人的附加質(zhì)量；C（v）用于描述控制中的向心力與科氏力矩陣，C（v）表示水動力阻力的升力矩陣；g（η）表示機器人控制中的恢復(fù)力矩向量；τd表示外界環(huán)境干擾力的力矩向量；J（η）表示控制轉(zhuǎn)換矩陣；η用于描述水下機器人位置的姿態(tài)向量；v用于描述水下機器人處于載體坐標系時的速度向量；τ用于描述作用于水下機器人載體坐標系下的控制量向量。

在確定其控制方程的前提下，水下機器人的控制過程必須滿足以下約束條件，使控制器模型更準確。其約束條件為：

在水流速度不定的情況下，使用的控制方程無法滿足其自身的約束條件時，使得水下機器人的控制模型表達式轉(zhuǎn)變成如下所示：

式中，

但是，此時的水下機器人控制模型無法滿足，正常情況下控制模型要滿足的以下約束條件：

綜上所述存在的問題，需對水下機器人的控制器在抗干擾功能方面進行設(shè)計。

2 水下機器人控制參數(shù)的設(shè)計

在對水下機器人的控制器在抗干擾功能方面進行設(shè)計時，需要確定其誤差、誤差變化率、控制量、加速度向量、速度向量等參數(shù)。

首先，基于水下控制規(guī)則確定其誤差E、誤差變化率EGj和控制量Uk，表達式如下所示：

其中，T用于描述控制時間，取T=1 s，ei用于描述時刻的控制偏差值，k用于描述控制次數(shù)。

最后，獲取速度向量，為水下機器人控制器設(shè)計提供依據(jù)，速度向量表達式為：

其中：f（G）為機器人可達到的最大速度，dG為水流速率。

3 水下機器人控制器抗干擾設(shè)計及實現(xiàn)

3.1 控制器抗干擾的設(shè)計

基于上述設(shè)置的參數(shù)，設(shè)計一種帶有抗干擾功能的水下機器人控制器。在控制器設(shè)計過成功中，假設(shè)水下機器人的運動狀態(tài)存在一定的約束條件，也就是：

式中，ηd用于描述機器人期望的位置向量用于描述機器人的速度向量:用于描述機器人的加速度向量；ηB表示正常數(shù)。

在滿足其設(shè)計條件下，獲取水下機器人濾波跟蹤誤差，并對其進行動態(tài)非線性轉(zhuǎn)化，添加抵抗水流產(chǎn)生干擾的性能。其表達式為：

將水下機器人濾波跟蹤誤差進行動態(tài)非線性轉(zhuǎn)化后，表達式變?yōu)槿缦滤荆?/p>

在提高對水下機器人進行控制時的抗干擾性后，當輸入控制量如下所示時，會產(chǎn)生一定的虛擬參考控制路徑。

同時產(chǎn)生的虛擬參考控制路徑表達式為：

對產(chǎn)生的虛擬參考控制路徑，進行一階求導(dǎo)，獲取此時控制水下機器人時產(chǎn)生的控制誤差：

式中：Dη表示控制估測值；C為機器人運行時間；C（v）為控制機器人所需時間；vr為機器人運行速度；τd為此時的虛擬路徑參考值。

對獲取的控制誤差進行迭代學習，提高對水下機器人進行控制時的抗干擾性，則有：

式中，ε表示函數(shù)逼近誤差，同時‖ε‖≤εN，εN，W是正常數(shù)；用于描述理想的無線傳感網(wǎng)絡(luò)權(quán)值系數(shù)。

最終實現(xiàn)水下機器人控制器抗干擾性的設(shè)計，其表達式為：

3.2 算法的實現(xiàn)

其軟件設(shè)計的源代碼流程如下：

4 仿真實驗結(jié)果與分析

為了驗證本文方法的有效性，需要進行仿真實驗。實驗是在慢變海流環(huán)境下進行的。水下機器人靜止在水面，以大小為3.5×10-3m/s2的初始加速度按照要求進行潛水，波特率為115 200 bps，使用直流電源24 V，控制器電源為5 V，以迭代學習周期為30 s進行迭代學習。

4.1 兩種方法下迭代學習的輸出值的比對

在時間一定的情況下，對本文方法的迭代學習的輸出值進行分析，并與不施加迭代學習的方法進行比對，結(jié)果如圖1和圖2所示。

由圖1中可以看出，在進行迭代學習時，實際值隨著迭代次數(shù)的增加，基本上達到了預(yù)期的期望值，最大偏差迅速減小，最終幾乎打到了零偏差。

4.2 一定時間下兩種方法的控制誤差比對

在一定的外界水流干擾下，通過本文方法與傳統(tǒng)方法的控制誤差值的情況進行比較，進一步驗證本文算法的有效性，結(jié)果如圖3、4所示。

圖1 不施加迭代學習后的結(jié)果

圖2 迭代學習后的結(jié)果

圖3 一定時間下傳統(tǒng)方法的控制誤差

圖4 一定時間下本文方法的控制誤差

由圖3、圖4可知，傳統(tǒng)方法在受到外界水流環(huán)境的干擾時，在一定時間內(nèi)其實測值與設(shè)定值存在一定的誤差，抗干擾性差，存在一定的控制誤差，導(dǎo)致對水下機器人控制不準確的問題。而文中方法在受到外界水流環(huán)境的干擾時，隨時間的推移其實測值與設(shè)定值剛之間的誤差越來越小，抗干擾性好，能夠較好的控制誤差。

兩種方法的位置誤差比對在時間一定的情況下，采用本文方法和傳統(tǒng)方法對水下機器人控制器在實際使用時的位置誤差和跟蹤誤差進行對比，結(jié)果如圖5所示。

圖5 本文方法和傳統(tǒng)方法位置誤差比較結(jié)果

由圖5可知，采用文中方法獲取的水下機器人位置誤差曲線始終在傳統(tǒng)方法誤差線之下，說明文中方法設(shè)計的控制器在水下機器人上使用時，獲取的位置誤差小，定位精度高。

4.3 兩種方法的跟蹤誤差比對

分別采用文中方法和傳統(tǒng)方法，對控制水下機器人按照給定的軌跡進行跟蹤實驗，對比結(jié)果如圖6所示。

圖6 本文方法與傳統(tǒng)方法的跟蹤誤差比較

由圖6可知，采用文中方法獲取的跟蹤誤差曲線始終在傳統(tǒng)方法誤差曲線之下，說明文中方法的跟蹤誤差顯著低于傳統(tǒng)方法；同時文中方法的跟蹤誤差曲線較傳統(tǒng)方法更加平滑，驗證了文中方法設(shè)計的水下機器人控制器不僅具有抗干擾的性能，其穩(wěn)定性相比傳統(tǒng)方法也比較高。

5 結(jié)束語

文中通過提出在進行設(shè)計水下機器人控制器時存在的問題，獲得了需要設(shè)計的關(guān)鍵所在。經(jīng)過計算出與設(shè)計相關(guān)的參數(shù)，為設(shè)計具有抗干擾性能的水下機器人控制器提供了依據(jù)，并設(shè)計實現(xiàn)了水下機器人控制器抗干擾性的設(shè)計。設(shè)計的水下機器人控制器不但具有一定的抗干擾性能，其控制水下機器人的穩(wěn)定性也具有一定程度的提高，所設(shè)計的水下機器人控制器具有一定的實用性。

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Underwater robot controller design based on wireless sensor network

ZHANG Shu-guang，SHEN Lin
（Department of Electrical Engineering of The first Hangzhou Technician College，Hangzhou 310023，China）

In view of the traditional robot controller design is vulnerable to water impact pressure variable factors of interference，cause controller poor stability，low efficiency of work.Put forward a kind of 6 degree of freedom under the anti-interference design method of underwater robot controller by underwater robot dynamics equation of six degrees of freedom space，and the inertial coordinates of six degrees of freedom space dynamic equation，and constraint conditions of underwater robot desired state is given for underwater robot filter tracking error and the error dynamic equation of underwater robot system，to realize the anti-jamming design of the controller，the experimental results show that the proposed method of underwater robot controller，position error and control error of the tracking error is less than traditional methods.

wireless sensor network；underwater robots；the controller；spatial dynamics

TN97

：A

：1674－6236（2017）01-0143-05

2015-11-18稿件編號：201511171

張曙光（1979—），男，湖南邵陽人，碩士，講師。研究方向：檢測技術(shù)及自動化裝置。