| 题名 | 面向水下目标抓取的自主遥控水下机器人位姿稳定控制研究 |
| 作者 | 丁宁宁 |
| 答辩日期 | 2021-05-21 |
| 授予单位 | 中国科学院沈阳自动化研究所 |
| 授予地点 | 沈阳 |
| 导师 | 唐元贵 |
| 关键词 | 自主遥控水下机器人 协调控制 广义超螺旋算法 离散化 |
| 学位名称 | 硕士 |
| 其他题名 | Research on Position and Attitude Stability Control of Autonomous and Remotely-operated Vehicle for Underwater Target Grasping |
| 学位专业 | 机械电子工程 |
| 英文摘要 | 水下目标抓取，是一种典型和重要的水下机器人作业内容与应用场景。自主遥控水下机器人(Autonomous and Remotely-operated Vehicle, ARV)是一种融合了自主水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)和遥控水下机器人(Remotely Operated Vehicle, ROV) 部分技术功能和特点于一体的新型水下机器人，具有自主、遥控和混合等多种操作模式。ARV可携带机械臂，采用坐底或悬浮方式完成一些轻型的水下目标抓取任务。然而当ARV进行悬浮抓取作业时，载体和机械臂在运动学和动力学层面均存在着较严重的耦合作用，对水下目标抓取带来一定的技术难度。此外ARV为了同时兼顾机动性和稳定性，其稳心高配置的相对较小，因而机械臂运动会导致载体位姿发生较大变化；载体的位姿变化反过来又会影响机械臂末端的作业精度，对水下目标的顺利抓取带来了挑战。因此ARV在悬浮抓取作业过程中的的位姿稳定控制对于顺利完成水下目标抓取作业至关重要。本文以作业型全海深自主遥控潜水器“海斗一号”为研究对象，针对其在悬浮状态下开展水下目标抓取时的位姿稳定控制进行研究。本文主要研究内容和结果如下：(1) 首先对载体和机械臂分别进行了运动学和动力学建模，分析了机械臂对载体的扰动，建立了“海斗一号”ARV的系统模型，然后在Simscape环境中搭建了可视化仿真环境。(2) 针对悬浮作业时机械臂抓取水下目标对载体位姿稳定控制的要求，提出了一种复合控制算法，该算法由自适应跟踪微分器、线性扩张状态观测器和改进的自适应广义超螺旋算法组成。自适应跟踪微分器可安排平缓的过渡过程，进而降低系统超调，还可很好地适应不同幅值的阶跃信号；线性扩张状态观测器用来在线估计并补偿扰动，消除了控制器对系统模型的依赖，提升了控制器的鲁棒性；改进的自适应广义超螺旋算法采用新型变增益策略，消除了传统广义超螺旋算法对扰动微分上界的要求。提出的新型变增益策略允许增益按照一定规则减小，有效避免了对增益的过高估计，也避免了增益在设置的最小值附近振荡。最后利用Lyapunov稳定性原理证明了闭环系统的稳定性。(3) 为了实现上述复合控制算法在“海斗一号”上的工程应用，对其离散化实现进行研究。考虑到控制器中广义超螺旋算法的显式离散化会引发额外的离散化抖振问题，本文除了使用常见的显式离散化方法对其进行离散化，还探讨了广义超螺旋算法的半隐式离散化和隐式离散化。(4) 基于海斗一号动力学模型和响应特性，在Simscape环境中进行了对比仿真实验，控制器参数通过多目标优化和手动调节共同获得。仿真结果显示所提出的控制算法很好地控制了载体在机械臂悬浮抓取过程中的位姿稳定。所提出的控制算法相对于原有的自适应广义超螺旋算法具有更好的抖振抑制能力，控制器的增益没有被过高估计，也没有在设定最小值附近振荡。此外所提出的控制算法在进行隐式离散化和半隐式离散化后均提供了更好的抖振抑制能力，且控制器对过高的控制增益不再敏感，参数整定变得容易。 |
| 语种 | 中文 |
| 产权排序 | 1 |
| 页码 | 95页 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.sia.cn/handle/173321/28960]  |
| 专题 | 沈阳自动化研究所_水下机器人研究室 |
| 作者单位 | 中国科学院沈阳自动化研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 丁宁宁. 面向水下目标抓取的自主遥控水下机器人位姿稳定控制研究[D]. 沈阳. 中国科学院沈阳自动化研究所. 2021. |
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