基于四元数反馈的UVMS滑模控制器设计

杜晓玮,侯冬冬,王红都,3,黎 明,3

基于四元数反馈的UVMS滑模控制器设计

杜晓玮1,侯冬冬2,王红都1,3,黎 明1,3

(1.中国海洋大学工程学院,山东 青岛,266100; 2.河南省水下智能装备重点实验室,河南 郑州,450015; 3.山东省海洋智能装备技术工程研究中心,山东 青岛,266100)

随着水下机器人-机械手系统(UVMS)向轻量化、敏捷化方向发展,对高精度水下姿态控制的需求日益突出。传统方法多使用欧拉角表示姿态,其在特殊姿态下求运动学逆解会产生奇异,不能满足特殊姿态作业的要求。因此,文中采用四元数表示水下机器人本体姿态,建立基于四元数的运动学模型,避免了欧拉角的万向锁问题。同时,进一步构建了UVMS的动力学模型,构造基于四元数误差的滑模面,设计了位置、姿态滑模控制器,并通过广义Lyapunov理论分析了系统的稳定性。为了实现更好的控制效果,利用时间误差绝对值函数设计适应度函数,采用遗传算法优化了控制器参数。仿真结果验证了控制器的有效性。

水下机器人-机械手系统; 四元数反馈; 滑模控制; 遗传算法; 参数优化

0 引言

为了开发海洋资源,开展水下作业任务,人们对水下机器人-机械手系统(undersea vehicle manipulator system,UVMS)进行了大量研究,取得了许多成果。在上世纪90年代,UVMS本体的体型和质量都比较大,如ALIVE[1]和SAUVIM[2]的机械手的运动就对本体影响较小。21世纪初期,对基于轻型自主水下航行器(autonomous undersea vehicle,AUV)本体的UVMS研究逐渐增多。GIRONA 500[3]是西班牙资助项目中开发的一种更轻便、更灵活的水下机器人,目前主要用于浅水作业,已经在许多项目中使用,如RAUVI、TRITON、TRIDENT、PANDORA和MERBOTS等项目[4]。……