基于改进PID的水下机器人悬停控制方法、设备、介质

本发明涉及水下机器人控制，尤其是涉及一种基于改进pid的水下机器人悬停控制方法、设备、介质。

背景技术：

1、在水下机器人的控制领域，悬停是一项至关重要的任务。悬停控制是指水下机器人在水下环境中保持静止位置的能力，通常用于执行各种任务，如海洋调查、管道维修、水下考古等。在不同的水下环境中，例如海洋、湖泊或水下平台附近，水流、湍流等因素都可能对水下机器人的悬停性能造成影响，因此需要一种高效且稳定的悬停控制方法来应对这些挑战。

2、传统的pid(proportional-integral-derivative)控制方法在水下机器人悬停控制中被广泛应用。然而，传统pid控制方法存在参数调节困难、控制精度不高等问题，尤其是在复杂的水下环境中，其稳定性和鲁棒性受到较大挑战。

3、综上，当前缺少一种针对传统pid控制方法存在问题进行改进，以实现高性能悬停的水下机器人悬停控制方法。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于改进pid的水下机器人悬停控制方法、设备、介质，以提高水下机器人悬停的稳定性和鲁棒性。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明的一个方面，提供了一种基于改进pid的水下机器人悬停控制方法，包括如下步骤：

4、在计及水下机器人的质量附加效应、水动力阻尼、科氏力-向心力和流体静力学恢复力的前提下，构建水下机器人在惯性坐标系和体坐标系下的动力学和运动学模型；

5、构建计及期望闭环带宽、相位超前补偿和比例增益的改进pid控制器，并整定得到期望闭环带宽和比例增益的值；

6、基于所述动力学和运动学模型进行仿真，根据控制性能指标调节相位超前补偿的参数值，完成改进pid控制器的参数整定；

7、基于参数整定后的改进pid控制器实现水下机器人悬停。

8、作为优选的技术方案，所述动力学和运动学模型建模为：

9、

10、

11、其中，η为潜器的位置和姿态向量，为η对时间的导，v为体坐标系下的速度和角速度向量，为v对时间的导，j(η)为体坐标系和惯性系之间的旋转矩阵，m为计及水下机器人质量附加效应的惯性矩阵，c(v)为水下机器人的科氏力-向心力矩阵，d(v)为水下机器人的水动力阻尼矩阵，g(η)为由重力和浮力引起的流体静力学恢复力向量，τ是力和力矩矩阵。

12、作为优选的技术方案，所述惯性矩阵m为：

13、

14、其中，m是水下机器人的质量，zg是体坐标系下浮心相对于重心z轴方向上的坐标，[ix iy iz]t是水下机器人横倾、纵倾和艏摇运动的转动惯量。

15、作为优选的技术方案，所述流体静力学恢复力向量g(η)为：

16、

17、其中，b和w分别表示水下机器人受到的浮力和重力，θ、φ分别为横倾角、纵倾角，zg是体坐标系下浮心相对于重心z轴方向上的坐标。

18、作为优选的技术方案，所述改进pid控制器的整定公式cpid(s)为：

19、

20、其中，kp为比例增益，ωc为期望闭环带宽，α为相位超前补偿参数。

21、作为优选的技术方案，基于ktl模型或频率响应方法实现期望闭环带宽和比例增益的整定：

22、ktl模型：

23、频率响应方法：

24、其中，kp为比例增益，ωc为期望闭环带宽，k为系统的传递函数g(s)的阶跃响应的静态增益，t为时间常数，l是时间延迟，t180＝2π/ω180，k180＝|g(jω180)|，ω180为相位交叉频率。

25、作为优选的技术方案，所述控制性能指标包括输出的稳定性、超调量、调整时间和稳态误差。

26、作为优选的技术方案，所述比例增益用于改变pid的调节效果，当α＝0时，pid控制器为pi控制器，当α＜1时，在期望闭环带宽受限的前提下，增强pid的积分效果，当α＞1时，增强pid的微分效果。

27、本发明的另一个方面，提供了一种电子设备，包括：一个或多个处理器以及存储器，所述存储器内储存有一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行前述基于改进pid的水下机器人悬停控制方法的指令。

28、本发明的另一个方面，提供了一种计算机可读存储介质，包括供电子设备的一个或多个处理器执行的一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行前述基于改进pid的水下机器人悬停控制方法的指令。

29、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果之一：

30、(1)提高水下机器人悬停的稳定性和鲁棒性：本发明通过构建计及期望闭环带宽、相位超前补偿和比例增益的改进pid控制器，可以根据系统自身参数来调整控制器参数，在结合了自身参数的pid控制器的调节下，可以更好地实现水下机器人的悬停控制。

31、(2)建模更加贴近实际：本发明构建的动力学和运动学模型计及了水下机器人的质量附加效应、水动力阻尼、科氏力-向心力和流体静力学恢复力，更加贴近实际情况，可进一步提高悬停的稳定性和鲁棒性。

32、(3)改进pid的控制方法：相较于传统的pid控制方法能够更快速地整定参数，传统pid需要调节的参数有三项，难以获取统一的整定规则，而改进的pid控制算法由比例增益、期望闭环带宽和相位超前补偿参数来描述，通过参数整定公式整定后，可以逐个调参以提高性能，避免了很多重复繁杂的调参过程。

技术特征：

1.一种基于改进pid的水下机器人悬停控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于改进pid的水下机器人悬停控制方法，其特征在于，所述动力学和运动学模型建模为：

3.根据权利要求2所述的一种基于改进pid的水下机器人悬停控制方法，其特征在于，所述惯性矩阵m为：

4.根据权利要求2所述的一种基于改进pid的水下机器人悬停控制方法，其特征在于，所述流体静力学恢复力向量g(η)为：

5.根据权利要求1所述的一种基于改进pid的水下机器人悬停控制方法，其特征在于，所述改进pid控制器的整定公式cpid(s)为：

6.根据权利要求1所述的一种基于改进pid的水下机器人悬停控制方法，其特征在于，基于ktl模型或频率响应方法实现期望闭环带宽和比例增益的整定：

7.根据权利要求1所述的一种基于改进pid的水下机器人悬停控制方法，其特征在于，所述控制性能指标包括输出的稳定性、超调量、调整时间和稳态误差。

8.根据权利要求1所述的一种基于改进pid的水下机器人悬停控制方法，其特征在于，所述比例增益用于改变pid的调节效果，当α＝0时，pid控制器为pi控制器，当α＜1时，在期望闭环带宽受限的前提下，增强pid的积分效果，当α＞1时，增强pid的微分效果。

9.一种电子设备，其特征在于，包括：一个或多个处理器以及存储器，所述存储器内储存有一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行如权利要求1-8任一所述基于改进pid的水下机器人悬停控制方法的指令。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括供电子设备的一个或多个处理器执行的一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行如权利要求1-8任一所述基于改进pid的水下机器人悬停控制方法的指令。

技术总结本发明涉及一种基于改进PID的水下机器人悬停控制方法、设备、介质，方法包括如下步骤：在计及水下机器人的质量附加效应、水动力阻尼、科氏力‑向心力和流体静力学恢复力的前提下，构建水下机器人在惯性坐标系和体坐标系下的动力学和运动学模型；构建计及期望闭环带宽、相位超前补偿和比例增益的改进PID控制器，并整定得到期望闭环带宽和比例增益的值；基于所述动力学和运动学模型进行仿真，根据控制性能指标调节相位超前补偿的参数值，完成改进PID控制器的参数整定；基于参数整定后的改进PID控制器实现水下机器人悬停。与现有技术相比，本发明能够提高水下机器人悬停的稳定性和鲁棒性，具有建模更加贴近实际等优点。技术研发人员：郭东生,沈洋林,张卫东,张曦元,仓乃梦,张中浩,刘哲,李雨兴,张晨,刘延俊,石燚,胡智焕,张义博,谢涛,张岱峰,郑金荣受保护的技术使用者：海南大学技术研发日：技术公布日：2024/6/18