舵槳聯(lián)合操縱水下機器人運動控制研究

王　波，孫玉山，曹　建，張國成
哈爾濱工程大學水下機器人技術國防科技重點實驗室，黑龍江哈爾濱

摘　　　要：水下機器人空間運動具有耦合性和非線性等特點，具有良好品質的運動控制器是水下機器人完成各種作業(yè)的前提。針對某舵槳聯(lián)合操縱小型自主式水下機器人運動控制問題進行了研究。對速度，深度和艏向控制系統(tǒng)進行了介紹，根據控制需求，建立了水下機器人動力學模型，對執(zhí)行機構進行了描述，設計了水下機器人滑模控制方案，采用變速趨近項代替一般指數趨近律中的等速趨近項來提高系統(tǒng)的快速性和削弱滑動模態(tài)的抖振，針對控制中出現的穩(wěn)態(tài)誤差引入智能積分項來提高控制精度。試驗結果表明水下機器人控制器具有良好的穩(wěn)定性和魯棒性，水下機器人控制系統(tǒng)能夠滿足基本任務要求。

關　鍵　詞：水下機器人；控制系統(tǒng)；滑模控制

１　引　言
隨著海洋研究與開發(fā)的不斷深入，水下機器人成為人們完成各種水下任務的重要輔助工具。由于水下機器人工作環(huán)境復雜，所以要求控制系統(tǒng)魯棒性強并具有良好動態(tài)與穩(wěn)態(tài)性能。由于水下機器人的運動非線性較強，傳統(tǒng)的ＰＩＤ控制很難滿足系統(tǒng)要求，雖然模糊控制［１�玻玻荩�神經網絡控制［３�玻矗莸纫呀浽谒�下機器人運動控制中得到一些研究和應用，但是他們結構復雜，調節(jié)困難。模糊控制隸屬度函數的設定，推理方法和反模糊化方法，以及模糊規(guī)則的獲取存在相當的難度。神經網絡控制的結構和參數不易確定，此外水下環(huán)境的復雜性也容易使神經網絡的學習出現明顯的滯后現象，控制很容易發(fā)生震蕩，嚴重時會帶來系統(tǒng)的發(fā)散，滿足不了控制的實時性和穩(wěn)定性要求。滑模控制由于滑動面的設計與控制對象的參數以及各種干擾無關，具有對參數變化和系統(tǒng)未建模部分的不敏感性和很強的抗干擾性，物理實現簡單等優(yōu)點而成為水下機器人控制的有效方法之一，并已經成功得到應用［５�玻叮荨１疚难芯繉ο鬄楣�爾濱工程大學研制的“ＭＡＵＶ－２”小型自主式水下機器人，該機器人尾部安裝有一個主推螺旋槳，一對垂直舵和一對水平舵，水下機器人空間運動依靠舵槳聯(lián)合操縱實現。本文根據水下機器人艏向控制和深度控制的需求，設計了滑模控制器，并加入智能積分項［７］來提高控制系統(tǒng)性能，較后在湖中進行了試驗，并對試驗結果進行了分析。

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