水下機器人動力學(xué)模型辨識與廣義預(yù)測控制技術(shù)研究.pdf

1、21世紀是人類研究、開發(fā)及和平利用海洋的世紀，隨著人類對海洋開發(fā)利用的不斷增加，能夠探測水下環(huán)境并且自主完成特定作業(yè)任務(wù)的水下機器人受到國內(nèi)外研究機構(gòu)的廣泛重視。作為在復(fù)雜海洋環(huán)境下工作的載體，自主性及安全性是水下機器人的重要特征，智能控制技術(shù)是保障其自主性和安全性的重要基礎(chǔ)和核心技術(shù)。水下機器人智能控制的內(nèi)涵包括自主規(guī)劃、運動控制與狀態(tài)監(jiān)控。研究水下機器人自主任務(wù)規(guī)劃、智能運動控制、傳感器信息融合以及自主監(jiān)控技術(shù)，對于提高水下機器人的

2、智能化水平和加快工程化應(yīng)用進程具有重要的意義。 水下機器人是具有較強非線性的復(fù)雜動態(tài)系統(tǒng)，廣義預(yù)測控制對于模型辨識誤差、傳感器噪聲以及被控系統(tǒng)的時滯和階次不確定表現(xiàn)出良好的魯棒性，本文進行了基于廣義預(yù)測控制算法的水下機器人運動控制的研究工作。從基于牛頓．歐拉方程和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立水下機器人的動力學(xué)模型入手，通過預(yù)測模型，根據(jù)被控系統(tǒng)的歷史信息和未來輸入預(yù)測其未來輸出，采用有限時段滾動優(yōu)化，并根據(jù)被控系統(tǒng)實際輸出誤差，在線調(diào)整預(yù)測模型

3、和控制器參數(shù)，實現(xiàn)預(yù)測模型與控制器的在線調(diào)整。 為了研究水下機器人的運動特性，推導(dǎo)了位姿向量在固定坐標系和運動坐標系之間的轉(zhuǎn)換矩陣，根據(jù)“海貍”水下機器人的體系結(jié)構(gòu)和運動特點，對轉(zhuǎn)換矩陣進行了簡化。根據(jù)流體中剛體的牛頓．歐拉方程，建立了“海貍”水下機器人艏向和縱向的動力學(xué)模型，利用最小二乘法對動力學(xué)模型的參數(shù)進行辨識及偏差估計，對“海貍”水下機器人所配置的推進器進行了動態(tài)性能分析。 在分析動態(tài)遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于非線性動態(tài)系

4、統(tǒng)辨識的原理及可行性的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了改進的Elman網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)BP學(xué)習(xí)算法。以滑動窗口模式，采用截短學(xué)習(xí)樣本的方法，實現(xiàn)改進的Elman網(wǎng)絡(luò)的在線學(xué)習(xí)，并進行了存在白噪聲和類階躍信號干擾情況下的非線性動態(tài)系統(tǒng)的在線辨識。提出了應(yīng)用于非線性動態(tài)系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識的并行模型和串并模型相融合的改進的系統(tǒng)輸出遞歸方式，既對被辨識系統(tǒng)有一定的濾波能力，又提高了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)辨識的收斂速度。在廣義預(yù)測控制算法方面，對參數(shù)未知、參數(shù)慢時變以及考慮控制量及

5、控制量變化率受限的線性動態(tài)系統(tǒng)進行了廣義預(yù)測控制的計算機控制研究，對“海貍”水下機器人的動力學(xué)模型進行了動態(tài)性能分析，利用歐拉差分得到其離散差分方程，基于特殊非線性動態(tài)系統(tǒng)可以時變參數(shù)線性轉(zhuǎn)化的理論，對具有二次阻力項的水下機器人非線性動力學(xué)模型存在自噪聲的情況下，進行了艏向、縱向自由度速度、位移方式的廣義預(yù)測控制研究。 以改進的Elman網(wǎng)絡(luò)作為多步預(yù)測模型：提出并推導(dǎo)了神經(jīng)廣義預(yù)測控制律的靈敏度導(dǎo)數(shù)計算公式，在存在白噪聲干擾和

6、類階躍信號干擾情況下，分別利用具有在線學(xué)習(xí)功能的和不具有在線學(xué)習(xí)功能的神經(jīng)廣義預(yù)測控制算法進行了非線性動態(tài)系統(tǒng)的預(yù)測控制研究和控制誤差分析。提出了將具有在線學(xué)習(xí)功能的神經(jīng)廣義預(yù)測控制算法應(yīng)用于水下機器人的運動控制，并進行了計算機仿真研究，由于改進了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)輸出的遞歸方式，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的廣義預(yù)測控制相對于基于CARIMA模型的廣義預(yù)測控制的魯棒性要好。具有在線學(xué)習(xí)功能的神經(jīng)廣義預(yù)測控制的計算機仿真結(jié)果表明具有在線學(xué)習(xí)功能的神經(jīng)廣義預(yù)測