一种基于伪逆描述的水下机械臂自适应抗噪运动控制方法

本发明涉及水下机械臂的运动规划及控制领域，尤其是涉及一种基于伪逆描述的水下机械臂自适应抗噪运动控制方法。

背景技术：

1、水下机械臂是一种特种机械装置，可搭载在潜水器/水下机器人上进行海洋资源探索和开发。由于良好的可操作性和多功能性，水下机械臂在海洋矿物采集、海洋管道维修和海洋电缆铺设等水下工程中发挥着重要的作用。在诸多应用场景中，水下机械臂的运动控制技术是核心之一。随着海洋探索深度的增加，复杂未知的海洋环境的影响在逐渐增强；这使得水下机械臂运动控制的难度一直居高不下。噪声是水下机械臂在进行海洋作业中不可忽视的一个因素。噪声的干扰会严重影响控制精度，导致水下机械臂的运动出现错误，无法完成给定的末端操作任务。噪声的类型很多，其中谐波噪声是较具代表性的一种。波浪、海流的扰动往往是以谐波形式呈现。因此，考虑并补偿谐波噪声的干扰对于水下机械臂的运动控制研究就显得非常有必要和极具实际价值。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了提供一种基于伪逆描述的水下机械臂自适应抗噪运动控制方法，考虑并补偿谐波噪声的干扰，提高水下机械臂的实际适应性和可靠性。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种基于伪逆描述的水下机械臂自适应抗噪运动控制方法，包括以下步骤：

4、步骤1：根据已知/给定频率的谐波噪声，采用内模原理构造自适应动态模型，自动生成谐波信号；

5、步骤2：基于自适应动态模型，结合水下机械臂末端轨迹规划的实际需求，并引入末端位置误差的反馈，确定基于伪逆描述的自适应抗噪运动控制方案；

6、步骤3：利用下位机控制器根据自适应抗噪运动控制方案的计算结果驱动水下机械臂的各个关节，完成给定的末端操作任务。

7、所述谐波噪声表示为：

8、

9、其中，n(t)表示包含多个频率的谐波噪声，下标i＝1,2,…,k，k表示谐波噪声的个数，ni(t)表示第i个谐波噪声，ai表示第i个谐波噪声的幅值，fi表示第i个谐波噪声的频率，表示第i个谐波噪声的相位，其中，谐波噪声的幅值和相位未知。

10、所述自适应动态模型设计为：

11、

12、其中，表示谐波噪声n(t)的时间导数，ui(t)表示用于补偿第i个谐波噪声ni(t)干扰的信号，zi(t)表示ui(t)的时间导数且定义为表示zi(t)的时间导数。

13、所述基于伪逆描述的自适应抗噪运动控制方案设计为：

14、

15、其中，表示水下机械臂的关节速度，θ(t)表示水下机械臂的关节角度；j表示水下机械臂的雅可比矩阵，j+表示水下机械臂雅克比矩阵j的伪逆矩阵，jt表示j的转置矩阵；rd(t)表示水下机械臂末端执行器的期望轨迹，表示水下机械臂末端的期望速度，e(t)表示机械臂末端的位置误差且定义为表示从水下机械臂的结构参数导出的非线性映射函数；λ和β表示位置误差的反馈增益，t表示为时间。

16、所述基于伪逆描述的自适应抗噪运动控制方案中，利用的动态方程实时求解水下机械臂的关节速度；利用其余动态方程共同实时估算谐波信号，并使得所述谐波信号与谐波噪声相互抵消。

17、所述下位机控制器包括驱动算法模块和多个关节驱动模块，其中，所述驱动算法模块根据自适应抗噪运动控制方案的结果确定驱动指令，并将驱动指令分别发给对应的关节驱动模块，控制各个关节跟踪期望轨迹，使得水下机械臂完成给定的末端操作任务。

18、所述驱动算法模块基于自适应抗噪运动控制方案计算得到的不同时刻下水下机械臂的关节速度，将关节速度数据转换为水下机械臂的驱动指令。

19、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

20、(1)本发明可以实现对谐波噪声的有效补偿，通过自动计算相对应的补偿信号，针对性地抵消谐波噪声的干扰，从而保证了水下机械臂在复杂海洋环境中依然具有良好的性能表现：即便在受到谐波噪声的影响下，机械臂也能够精确执行末端操作任务。

21、(2)本发明提高了水下机械臂的实际适应性和可靠性，对于要求高精度和高稳定性的自动化任务尤为有益。

技术特征：

1.一种基于伪逆描述的水下机械臂自适应抗噪运动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于伪逆描述的水下机械臂自适应抗噪运动控制方法，其特征在于，所述谐波噪声表示为：

3.根据权利要求2所述的一种基于伪逆描述的水下机械臂自适应抗噪运动控制方法，其特征在于，所述自适应动态模型设计为：

4.根据权利要求3所述的一种基于伪逆描述的水下机械臂自适应抗噪运动控制方法，其特征在于，所述基于伪逆描述的自适应抗噪运动控制方案设计为：

5.根据权利要求4所述的一种基于伪逆描述的水下机械臂自适应抗噪运动控制方法，其特征在于，所述基于伪逆描述的自适应抗噪运动控制方案中，利用的动态方程实时求解水下机械臂的关节速度；利用其余动态方程共同实时估算谐波信号，并使得所述谐波信号与谐波噪声相互抵消。

6.根据权利要求1所述的一种基于伪逆描述的水下机械臂自适应抗噪运动控制方法，其特征在于，所述下位机控制器包括驱动算法模块和多个关节驱动模块，其中，所述驱动算法模块根据自适应抗噪运动控制方案的结果确定驱动指令，并将驱动指令分别发给对应的关节驱动模块，控制各个关节跟踪期望轨迹，使得水下机械臂完成给定的末端操作任务。

7.根据权利要求6所述的一种基于伪逆描述的水下机械臂自适应抗噪运动控制方法，其特征在于，所述驱动算法模块基于自适应抗噪运动控制方案计算得到的不同时刻下水下机械臂的关节速度，将关节速度数据转换为水下机械臂的驱动指令。

技术总结本发明涉及一种基于伪逆描述的水下机械臂自适应抗噪运动控制方法，包括以下步骤：根据已知/给定频率的谐波噪声，采用内模原理构造自适应动态模型，自动生成谐波信号；基于自适应动态模型，结合水下机械臂末端轨迹规划的实际需求，并引入末端位置误差的反馈，确定基于伪逆描述的自适应抗噪运动控制方案；利用下位机控制器根据自适应抗噪运动控制方案的计算结果驱动水下机械臂的各个关节，完成给定的末端操作任务。与现有技术相比，本发明只需测得谐波噪声的频率便能自适应估算谐波噪声的幅值和相位信息，从而补偿谐波噪声对水下机械臂运动控制的干扰，提升水下机械臂在复杂环境下执行操作任务的能力。技术研发人员：郭东生,张曦元,仓乃梦,张卫东,沈洋林,张中浩,杨胜辉,郭威,潘阳,刘小平,高鹏,陈红受保护的技术使用者：海南大学技术研发日：技术公布日：2024/6/11