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水下滑翔蛇形机器人滑翔运动建模与优化控制

更新时间：2019-12-25 11:45:29 大小：1M 上传用户：xiaohei1810 查看TA发布的资源 标签：机器人 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）收藏评论(0) 举报

资料介绍

为了实现水下滑翔蛇形机器人滑翔轨迹的稳定控制,针对机器人的外形和尺寸受限问题,对机械结构进行了设计与分析.基于所设计的机械系统,采用动量定理和动量矩定理,建立滑翔运动的数学模型.对非线性模型进行线性化,并采用最优二次型控制策略(LQR)设计状态反馈控制器.为了增强系统对参数扰动的鲁棒性,加入积分控制,构成LQI控制器.通过仿真对2种控制策略的稳定性、鲁棒性和跟踪误差进行分析,结果表明,2种控制策略均能实现渐近轨迹跟踪和输入扰动抑制;LQI控制器还可以实现水动力参数扰动抑制;LQI控制器的稳态跟踪误差为0.271 5m,比LQR控制器跟踪误差降低了27.58％.

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V01．49 No．1

Jan．2019

第49卷第1期

2019年1月

东南大学学报(自然科学版)

UNIVERS兀Y(Natural

JOURNALOFSOUTHEAST

Science

Edition)

DOI：10．3969／j．issn．1001-0505．2019．01．014

黼

水下滑翔蛇形机器人滑翔运动

建模与优化控制

唐敬阁1’2’3

李

斌1’2

常

健1’2

王

聪1’2

张国伟1’2

(1中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室，沈阳l 10016)

(2中国科学院机器人与智能制造创新研究院，沈阳110016)

(3中国科学院大学，北京100049)

摘要：为了实现水下滑翔蛇形机器人滑翔轨迹的稳定控制，针对机器人的外形和尺寸受限问题，

对机械结构进行了设计与分析．基于所设计的机械系统，采用动量定理和动量矩定理，建立滑翔

运动的数学模型．对非线性模型进行线性化，并采用最优二次型控制策略(LQR)设计状态反馈

控制器．为了增强系统对参数扰动的鲁棒性，加入积分控制，构成LQI控制器．通过仿真对2种

控制策略的稳定性、鲁棒性和跟踪误差进行分析，结果表明，2种控制策略均能实现渐近轨迹跟

踪和输入扰动抑制；LQI控制器还可以实现水动力参数扰动抑制；LQI控制器的稳态跟踪误差为

0．271

5m，比LQR控制器跟踪误差降低了27．58％．

关键词：水下滑翔蛇形机器人；LQR控制器；LQI控制器；轨迹跟踪；滑翔运动

中图分类号：TP242．3

文献标志码：A

文章编号：1001—0505(2019)Ol-0094-07

and

control on

motion of

gliding

Modeling

optimal

snake-like robot

underwater

gliding

Li Binl'2

Jianl'2

Guoweil’2

Zhang

Wang Con91'2

Tang Jinggel· 2'3

Chang

Institute

State

110016，China)

Key Laboratory ofRobotics，Shenyang

ofAutomation，Chinese Academy

Sciences，Shenyang

Institutes for Robotics and

110016。China)

Intelligent Manufacturing，Chinese Academy

Sciences，Shenyang

100049，China)

Sciences，Beijing

of Chinese

Academy

University

achieve stable control of

for theunderwater

snake—like

robot，

Abstract：To

gliding trajectory

gliding

and size limitation of the

shape

mechanical structure was

and

for the

problem

designed

analyzed

mechanical

mathematical model for the motion was

gliding

robot．Based on the

designed

system．a

_usingmomentum theorem and moment of momentum theorem．The nonlinear model

established

linear

was linearized and the state feedback controller was

designed'using

the

quadratic regulator

disturb·

control

enhance the robustness of

(LQR)，all optimal

strategy．To

system

parameter

stabil—

control was added to form

linear

ances．the integral

quadratic integral(LQI)controller．The

and the

error of the two control

Can achieve

were

simulation．

robustness

ity．the

Theresults show that

turbance

tracking

strategies

analyzed by

both control

and

dis—

strategies

asymptotic trajectory tracking

input

can also achieve disturbance

rejection．LQI

error of

rejection

it iS 27．58％lower than that of

is 0．271 5 m．and

hydrodynamic parameters．The

state

steady

tracking

LQI

LQR．

snake-like

gliding

words：underwater

robot；linear quadratic regulator(LQR)controller；linear

motion

Key

quadratic integral(LQI)controller；trajectory following；gliding

形机器人‘H1模仿生物蛇的运动方式，具有机动性

好、运动灵活的特点．然而，水下蛇形机器人的运动

在水环境监控和水下设备检测等任务中，要求

水下机器人具有较好的续航能力和机动性．水下蛇

收稿日期：2018-07-04．

作者简介：唐敬阁(199l一)，女，博士生；常健(联系人)，男，博士，副研究员，changjian@sia．cn．

基金项目：国家重点研发计划资助项目(2017YFBl300101)．

引用本文：唐敬阁，李斌，常健，等．水下滑翔蛇形机器人滑翔运动建模与优化控制[J]．东南大学学报(自然科学版)，2019，49(1)：94—100

IX)I：10．3969／j．issn．1001—0505．2019．01．014．

万方数据

第l期

唐敬阁，等：水下滑翔蛇形机器人滑翔运动建模与优化控制

所需升力，安装了梯形平板机翼．为了保证机器人

在水流波动下具有自回复能力，通常要求重心低于

浮心位置，本文通过合理配置关节内部硬件设备和

配重实现．

需要驱动器持续耗能来维持，续航能力差，不适宜

长时间、远距离任务．水下滑翔机M刮作为一种净

浮力驱动的水下机器人，运动方式单一，机动性能

较低，但是具有较好的续航能力．因此，为解决水下

蛇形机器人的续航问题，将水下滑翔机与水下蛇形

平板翼

机器人技术相结合，提出了一种水下滑翔蛇形机器

snake—like

人(underwater

robot，UGSR)．

gliding

UGSR的运动形式既具有由净浮力驱动的滑翔运

动，又有由环境作用力驱动的蛇形游动．其中，滑翔

运动是一种下潜／上浮交替进行的运动模式，运动

轨迹呈齿状．其概念来源于水下滑翔机，通过净浮

力调节机构、姿态调节机构实现；净浮力调节机构

控制机器人向上、向下运动，姿态调节机构控制机

器人的俯仰姿态角，同时在机翼产生的升力作用

图1 UGSR样机模型

假设机器人初始时为中性状态，即总质量等

于排水质量，当左右两端的伸缩关节模块分别伸

下，使机器人向前滑翔．蛇形游动有多种模式，比如

蜿蜒步态、行波步态等；通过多个关节模块的相对

转动使身体产生连续形变，从而在水动力的作用下

驱动机器人向前运动．

长△。，△：时，UGSR的净浮力(总质量减排水质

量)为

m。：一P耵f导1。(△，+zl：)

000

在仿生学与水下滑翔机融合方面，Zhang

等"刮和Wu等【1旷分别对滑翔机器鱼、滑翔机器

海豚进行了研究，滑翔机器鱼、滑翔机器海豚具有

水下滑翔机的一体化机身，采用水下滑翔机的滑块

和泵水／油囊装置作为运动调节系统，通过仿真和

试验进行了滑翔运动验证．但是，UGSR以水下蛇

形机器人为研究本体，由于UGSB模块化、大长径

比，其内部空间较小，不足以安装这些机械系统．为

适应UGSR的外形特点，本文设计了一种伸缩关

节模块，用于构成机器人的运动调节系统．为了实

现系统的稳定性，采用了LQR最优设计策略，以最

小化性能指标为目的，得到最优控制律，实现系统

的渐近跟踪．由于水下环境复杂，水动力参数可能

随之而发生变化，加入了积分控制环节，保证参数

扰动下系统的稳定性．

kg／m3为水的密度；d为伸缩关节

式中，P=1

模块的直径．伸缩模块的伸长范围为△．

[一0．05，0．05]m，△2 [一0．05，0．05]m，则单个

伸缩模块的净浮力可调节范围为一565—565

g．当

m。>0时，机器人将会下沉；当m。<0时，机器人将

上浮．

由于伸缩关节模块分别位于机器人两端，因此

重心和浮心位置随关节模块的伸长而发生变化，分

别表示为

一羔型

G一 m；’FB一 Q，

一羔墼 F

式中，m；为模块f的质量，各模块如图1所示；，．，为

模块的质心位置，假设机器人质量均匀分布，则几

何中心位置为rf；Q，为模块f的排水体积，首、尾两

端的伸缩关节模块排水体积与伸缩量有关，即

样机设计及机构分析

f=1，2

Qi=Q邶+p1T

f孚1‘△，

UGSR的设计基于沈阳自动化研究所研制的

水下蛇形机器人．12】，采用了模块化结构，利用二自

式中，Q加为伸缩关节模块i的初始体积．因此，当

由度模块实现蜿蜒、行波等游动步态；利用单自由

度的伸缩关节模块作为浮力调节和姿态调节机

构¨ 3{，实现滑翔运动．UGSR由2个伸缩关节模块

和5个转动关节模块链接组成，如图(1)所示．其

中，伸缩模块的内部可沿轴向伸长或缩短，从而调

节浮力；将该模块分别作为首、尾模块，可调节重、

浮心相对位置；转动模块具有俯仰和偏航2个自由

度，实现模块之间的相对转动．为了提供滑翔运动

rG≠飞，即重心、浮心不重合时，可使机器人产生俯

仰姿态角．

2滑翔运动模型

假设UGSR进行滑翔运动时，5个二自由度模

块之间没有相对转动．利用文献[14]的建模方法，

对滑翔运动模型中的关节变量、水动力、附加质量

力等进行研究．

http：／／journal．seu．edu．cn

万方数据

东南大学学报(自然科学版)

图2(a)为系统坐标系及动力学分析示意图．

第49卷

8z× g，+ 8丁=堕王 (4)

定义世界坐标系Oxyz位于水平面，水平向右为Ox

方向，垂直向下为Dz方向；体坐标系0。X。YmZ固

定在机器人本体上，位于初始状态时机体的几何中

心，0。X。沿机器人轴线方向；速度坐标系0。X，Y。Z，

的原点与体坐标系的原点重合，0。X。轴沿机器人

速度方向．体坐标系相对世界坐标系的位置为易，

变换矩阵为R；速度坐标系到体坐标系的变换矩阵

为6足。．滑翔运动时，R和6足。分别由俯仰角口和攻

角Ol描述，其中，p为m到0bXb的夹角，Ot为0bXb

到0。X。的夹角．图2(b)描述了UGSR的质量分

布，该机器人的质量包括位于两端的伸缩关节质量

m，和m：、中间的5个二自由度关节总质量m。以

及实现稳心高的固定质量m。．2个伸缩模块的质

心在体坐标系中的位置为，．。和，：，m。在体坐标系

中的位置为“．机器人在水中的排水质量为m，浮

心在体坐标系中的位置为r。．

∞

量

=M。

1((MY，)

XtO+

(a)坐标系及动力学表示

(b)质址分nj

图2水下滑翔蛇形机器人坐标系及质量表示

对任意三维列向量A，曰，定义算子A使A

=AB成立．基于这种表述方法，利用牛顿定理和

坐标变换规则，可得运动学方程为

b=RV

(1)

R=Rta

(2)

式中，y和∞分别为机器人相对于体坐标系的绝

对运动速度和角速度．

在世界坐标系中，机器人的质量矩阵为8M，速

度为8y，惯性张量为8-，，角速度为8∞，外力8．厂的作

用位置为8工，外力矩为8丁．利用如下动量定理和动

量矩定理：

(3)

g，=Td(gMgV)

http：／／journal．SeU．edu．cn

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