基于SI控制的有缆水下机器人海底定点着陆运动控制方法与流程

本发明涉及水下机器人海底定点着陆运动控制方法。

背景技术：

有缆水下机器人(Remote Operated Vehicle，简称ROV)是一个国家海洋装备技术水平的重要标志之一。研究ROV的相关技术对国家经济、海底空间利用、深海旅游、深海打捞和救生等都有着不可估量的战略意义。

顺应ROV研究的热点，研究了有关ROV海底定点着陆运动控制问题的方法。针对在已知着陆点的坐标和理想首向的情况下，对在着陆点附近的ROV自动运动到着陆点的控制问题进行研究。

(1)目前，ROV进行海底着陆时大多采用人工手动操作进行着陆的方式，这种方式往往需要经验丰富的操作者往复操作多次才能使ROV着陆在一个相对满意的位置，费时费力。

(2)目前，ROV进行海底着陆时大多采用人工手动操作进行着陆的方式，这种方式的定点着陆精度较差，尤其是在较为恶劣水下环境中。

(3)目前，由于ROV水下作业的复杂化，操作者往往需要很严格专业认证。

(4)由于水下ROV的视域受限并且图像传输有延迟，以及人为的操作失误，这就导致人为操作ROV海底着陆很容易与水下结构发生碰撞甚至事故，造成严重的经济损失。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有ROV进行海底着陆时大多采用人工手动操作进行着陆，费时费力，定点着陆精度较差，容易与水下结构发生碰撞甚至事故，造成严重的经济损失的问题，而提出基于SI控制的有缆水下机器人海底定点着陆运动控制方法。

基于SI控制的有缆水下机器人海底定点着陆运动控制方法具体过程为：

步骤一、建立s面控制；具体过程为：

s面控制方法的控制律为：

其中，τ为控制系统产生的控制力和力矩；s为s面函数，k1、k2为s 面控制参数，e′为位置跟踪误差；为位置跟踪误差的导数；e^s为s的e指数；

步骤二、基于步骤一建立的s面控制，建立PID控制；

步骤三、基于步骤一建立的s面控制、步骤二建立的PID控制，建立SI控制。

本发明的有益效果为：

本发明研究ROV定点着陆运动控制，利用控制的方法经行调节，使ROV更快的着陆到预定地点，提高工作效率(更快)，省时省力。

本发明研究ROV定点着陆运动控制，可以很好的提高ROV海底定点着陆的精度，更好的保障ROV的作业精度和满足精细观测要求，提高定点着陆精度(更准)。

本发明研究ROV的海底定点运动控制，让ROV更加智能化，让每个人，都能很容易的操作ROV，实现他的目的(例如渔民用ROV捞海参)，降低ROV的使用难度(更智能)。这对于ROV的推广使用有重要意义。

本发明研究ROV定点着陆运动控制，让ROV定点着陆更加安全可靠，减少ROV水下事故(更安全)，不易与水下结构发生碰撞，减少经济损失。

本发明针对ROV海底定点着陆运动控制开展研究，以经典s面控制为基础，结合PID 控制中的积分项I，提出了SI控制方法，使ROV更快、更准、更智能、更安全地到达作业或者观测地点。

从图2、3、4、5的仿真结果可以看出在不同的海流情况下，SI控制在控制稳态误差方面的能力均强于传统的s面控制，在ROV定点着陆运动控制的控制精度上有了明显提高。并且在仿真实验中发现，t0取在系统即将产生稳态误差的前2-3秒内效果较好。仿真算例验证了本发明算法的有效性。

附图说明

图1为SI控制算法结构图；

图2为恒定的2节横向海流(t0＝8s)横荡跟踪误差ey图，t0为为PID中积分项的引入时间延迟；t为时间变量，ey为y轴方向的ROV位置跟踪误差；

图3恒定的1节横向海流(t0＝15s)横荡跟踪误差ey图；

图4突然遭遇(t＝8s)的2节横向海流(t0＝8s)横荡跟踪误差ey图，t为时间变量；

图5为突然遭遇(t＝8s)的1节横向海流(t0＝15s)横荡跟踪误差ey图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式基于SI控制的有缆水下机器人海底定点着陆运动控制方法具体过程为：

(1)ROV研究相关坐标系的定义：惯性坐标系(E-ξηζ)：原点E可选在海面的某一点，Eξ轴和Eη轴置于水平面内且互相垂直，Eξ轴正向指向正北方向。Eζ垂直于Eξη平面，正向指向地心；

运动坐标系G-xyz：原点G取在ROV的重心处，x轴、y轴和z轴分别为经过原点的水线面、横剖面和中纵剖面的交线；

(2)ROV的建模技术：基于Fossen的六自由度非线性ROV模型[1]([1]Fossen T I. Handbook of Marine Craft Hydrodynamics and Motion Control[M].2011.)。该模型以刚体动力学、刚体运动学、水动力学等为基础，进行了复杂的推导，并进行了较为合理的简化。目前基于Fossen六自由度非线性ROV模型在控制领域的仿真中受到了广大科学家的青睐。本发明基于Fossen的六自由度非线性ROV模型对ROV定点着陆运动控制方法进行了详细的研究。

ROV的动力学方程：采用基于Fossen的六自由度非线性模型表示为：

式中：η为ROV在固定坐标系下的六自由度位置与姿态值，η＝[x,y,z,φ,θ,ψ]^T；x为 ROV在x轴方向的位移，y为ROV在y轴方向的位移，z为ROV在z轴方向的位移，φ为ROV的横倾角，θ为ROV的纵倾角，ψ为摇首角；为ROV在固定坐标系下的六自由度位置与姿态值对时间的一阶导数；为ROV在固定坐标系下的六自由度位置与姿态值对时间的二阶导数；T为转置；

M为质量惯性矩阵；M^*为性坐标系转换到运动坐标系后的质量惯性矩阵， M^*＝J^-TMJ^-1，J为惯性坐标系转换到运动坐标系的转换矩阵；

CRB为刚体的科氏力和向心力矩阵；为惯性坐标系转换到运动坐标系后刚体的科氏力和向心力矩阵；

CA为附加质量的科氏力和向心力矩阵；为惯性坐标系转换到运动坐标系后附加质量的科氏力和向心力矩阵；

D为水动力阻尼矩阵；D^*为惯性坐标系转换到运动坐标系后的水动力阻尼矩阵， D^*＝J^-TDJ^-1；

g为重力和浮力产生的力和力矩向量；g^*为惯性坐标系转换到运动坐标系后重力和浮力产生的力和力矩向量，g^*＝J^-Tg；

τ为控制系统产生的控制力和力矩；τ^*为惯性坐标系转换到运动坐标系后控制系统产生的控制力和力矩，τ^*＝J^-Tτ；

(3)s面控制方法：s面控制本质上是从模糊控制出发，并将模糊控制规则表进行非线性拟合,用Sigmoid曲面代替模糊规则库,进而得到s面控制器[2]([2]刘学敏,徐玉如. 水下机器人运动的s面控制方法[J].海洋工程,2001,19(3):81-84)。s面控制于2001年被提出后，经过了多方的改进，取得了一定的进展，但很少有专家学者在改进的s面控制中给出严格的理论收敛性证明。

s面控制本质上是从模糊控制出发,并将模糊控制规则表进行非线性拟合,用 Sigmoid曲面代替模糊规则库,进而得到s面控制器

s面控制方法的控制律为：

其中，τ为控制系统产生的控制力和力矩；s为s面函数，k1、k2为s 面控制参数，e′为位置跟踪误差；为位置跟踪误差的导数；e^s为s的e指数；

s面控制法采用非线性函数来拟合具有强非线性特性的控制对象，控制效果好于PID控制，可以有效地提高机器人在定位点作业的控制精度，所以本发明考虑了种方法在ROV海底定点着陆运动控制方法中的应用，将s面控制进行改进，得到了很好的效果。

(4)Lyapunov稳定性理论：可用来描述一个动力系统的稳定性。如果此动力系统任何初始条件在平衡态附近的轨迹均能维持在平衡态附近，这种情况称为Lyapunov稳定。

Lyapunov稳定性理论是目前控制领域的热门理论，本发明巧借Lyapunov稳定性理，证明了SI控制算法的稳定性，实现了一定的理论突破。

设函数V(x)为在相空间坐标原点的邻域P，P＜H，H为大于零的小数中的连续函数，V(x)在相空间坐标原点的邻域P中连续可微，而V(x)且是正定的，即除了V(0)＝0 外，对于P中所有别的点均V(x)＞0，这样的函数称为Lyapunov函数。

定理1如果对于动力学方程存在一个Lyapunov函数V(x)，其全导数是负半定的(即对于P中所有点)，则该方程是稳定的。

定理2如果对于方程存在一个Lyapunov函数V(x)，其全导数是负定的(即除外，对于P中所有其他点都有)，则方程的定点是渐近稳定的。

(5)PID控制方法：PID控制就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。PID控制的基础是比例控制；积分控制可消除稳态误差，但可能增加超调；微分控制可加快大惯性系统响应速度以及减弱超调趋势。PID控制目前已经被研究的相对透彻，并在实际应用中较为广泛。

步骤一、建立s面控制；具体过程为：

s面控制本质上是从模糊控制出发，并将模糊控制规则表进行非线性拟合，用Sigmoid 曲面代替模糊规则库，进而得到s面控制器；

s面控制方法的控制律为：

其中，τ为控制系统产生的控制力和力矩；s为s面函数，k1、k2为s 面控制参数，e′为位置跟踪误差；为位置跟踪误差的导数；e^s为s的e指数；

s面控制法采用非线性函数来拟合具有强非线性特性的控制对象，控制效果好于PID 控制，可以有效地提高机器人在定位点作业的控制精度，所以本发明考虑了种方法在ROV 海底定点着陆运动控制方法中的应用，将s面控制进行改进，得到了很好的效果。

步骤二、基于步骤一建立的s面控制，建立PID控制；

步骤三、基于步骤一建立的s面控制、步骤二建立的PID控制，建立SI控制。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤二中基于步骤一建立的s面控制，建立PID控制；具体过程为：

PID控制算法根据运动过程中各个量的偏差来计算相应的推力，对于位置控制，对控制器的基本要求是能控制潜器作各种运动，如避障、定位等。对于运动状态，对控制器的要求是能保证潜器按照预期的速度或加速度运动。例如遥控潜水器需要两种控制方式，在离目标点很远时，要求潜水器以固定的速度向目标点运动，即按速度偏差做PID控制；当与目标点的距离小于一定值时，按位置偏差做PID控制。本发明对在已知着陆点的坐标和理想首向的情况下，对在着陆点附近的ROV自动运动到着陆点的控制问题进行研究，选用的是位置偏差PID控制。

PID控制控制率如下：

其中，kp、ki、kd为PID控制参数；t为时间变量。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤三中基于步骤一建立的s面控制、步骤二建立的PID控制，建立SI控制；具体过程为：

s面控制由于参数较少易于调节受到了众多科研工作者的青睐。随着研究的深入，s面控制的缺点也体现出来，s面控制应对海流等复杂海洋环境时，会出现稳态误差的现象。为解决这一问题尝试了多种方法的改进。其中以自适应估计s面参数的方法来消除稳态误差的相关研究最为成熟。但基于自适应估计参数的s面控制方法比较为复杂，加大了这种改进s面控制方法的实际应用难度。本发明将s面控制方法和PID控制方法的积分项I相融合，提出了一种新型的s面控制方法，并命名为SI控制。并且，本发明基于Lyapunov 稳定性理论对SI方法的收敛性进行了严格的证明，使SI控制的算法理论的严谨性、完整性高于原s面算法。这也是本发明的一大创新点。

SI方法的控制律如下

其中，t0为PID中积分项的引入时间延迟；t为时间变量；k3为SI控制参数。

整个控制律中只有k1、k2、k3三个仿真参数，保证了SI控制的实用性和易调节性。并且SI控制相比于传统的s面控制，对海流恶劣的海洋环境具有很好抗干扰能力。

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

基于Lyapunov稳定性理论对SI控制算法的证明过程如下：

令

令

当τ>τ0时，s>0

e＝x-xd

因为s>0且x＝xd时

所以

即

当τ<τ0时，s<0

因为s<0且x＝xd时

所以

即

综上可以得出sgn为符号函数。

令中间变量

由上面的推导可知

于是

由于除以一个正数t不会影响函数的正负，所以对h-τ0做局部处理。又因为

所以

根据Lyapunov稳定性理论，SI控制算法是稳定的。

实施例：

s面控制方法：

s面控制算法应用在ROV中，当遇到海流的影响时，会产生稳态误差。当调节s面控制的两个参数时，发现稳态误差难以消除，或者为了消除稳态误差付出了超调很大的代价，导致控制效果不理想，尤其在ROV海底定点着陆控制中(Z轴方向在实际应用中不容许出现超调，否则ROV会撞向海底)。而SI算法则巧妙地通过延时积分项的引入，解决了 ROV遇到海流后控制产生稳态误差的问题，并且延时处理的PID中积分项的引入并不会导致超调现象的发生。

自适应s面控制方法：

自适应s面控制方法也能很好地解决ROV遇到海流后控制产生稳态误差的问题，但是自适应s面控制方法相比本发明中的SI控制算法更为复杂，实际应用难度更高。解决相同的问题情况下，SI控制算法的易调节性、实用性较自适应s面控制更强。这也为今后 s面控制的实际应用与改进开辟了新道路。

神经网络控制方法：

SI控制算法的稳定性明显好于神经网络。虽然神经网络的学习是全方位的,但正因为其学习机制是全方位的,信号的声干扰以及近似等幅度或等周期的干扰都极有可能造成学习的振荡甚至发散,因此在比较恶劣情况下神经网络的控制效果不理想。

仿真算例

仿真准备：

基于文献[3]([3]高胜,陈昆,张利巍,et al.开架式观测型ROV定点悬停控制方法研究[J].石油机械,2019(2):55-64.)中的ROV模型对本发明提出的基于SI控制的ROV海底定点着陆运动控制方法进行了仿真验证。

表1 ROV水动力系数

表2 ROV惯性系数

表3 ROV初始位置与姿态表

表4 ROV定点着陆位置与姿态表

仿真分析：

首先基于Simulink，搭建了SI控制算法结构图如图1。

针对不同的海流情况以及不同的PID中积分项的引入延迟t0，本发明对SI控制和传统的s面控制进行了对比仿真研究。如图2、3、4、5；

从图2、3、4、5的仿真结果可以看出在不同的海流情况下，SI控制在控制稳态误差方面的能力均强于传统的s面控制，在ROV定点着陆运动控制的控制精度上有了明显提高。并且在仿真实验中发现，t0取在系统即将产生稳态误差的前2-3秒内效果较好。仿真算例验证了本发明算法的有效性。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。