本技術(shù)實施例涉及海洋機器人的運動控制,尤其涉及一種海洋機器人用位置型緊格式無模型自適應(yīng)艏向控制方法及裝置、電子設(shè)備、存儲介質(zhì)。
背景技術(shù):
1、海洋機器人包括無人水面艇、無人潛航器以及其他海洋無人系統(tǒng)。在海洋機器人作業(yè)過程中,艏向控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型隨海洋機器人的吃水和速度發(fā)生變化,也受到風(fēng)浪流干擾,因此基于數(shù)學(xué)模型設(shè)計的控制方法往往無法取得較好效果。另一方面,基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的比例-積分-微分(pid)控制器難以適應(yīng)變化的系統(tǒng)特性,強化學(xué)習(xí)控制方法則需要訓(xùn)練過程且計算量較大。
2、無模型自適應(yīng)控制(mfac,model-free?adaptive?control)方法在不需要系統(tǒng)精確模型的情況下,能夠在線自適應(yīng)地調(diào)整控制參數(shù),從而實現(xiàn)對系統(tǒng)輸出的有效控制。
3、但是傳統(tǒng)的普通緊格式mfac的增量型輸入/輸出數(shù)據(jù)模無法適用于艏向控制系統(tǒng),其主要原因為:(1)非擬線性特性:艏向角(即系統(tǒng)輸出)與舵角(即系統(tǒng)輸入)間存在積分環(huán)節(jié),舵角增加時艏向角未必增加;(2)非自衡特性:系統(tǒng)對每一次輸入都進行了積分,表現(xiàn)為一個快速擴張的過程,與mfac系統(tǒng)輸入/輸出數(shù)據(jù)模型辨識的慢變過程相沖突;(3)艏向控制系統(tǒng)在輸出收斂狀態(tài)下要求輸入為零,基于增量型設(shè)計的普通mfac難以避免系統(tǒng)輸出振蕩發(fā)散問題。
4、現(xiàn)有的海洋機器人mfac艏向控制方法試圖通過利用角速度增益重構(gòu)系統(tǒng)輸出,以解決系統(tǒng)輸出振蕩問題。但是當(dāng)增益過小時,控制器接近普通的mfac算法,會導(dǎo)致系統(tǒng)輸出振蕩問題;當(dāng)增益過大時,系統(tǒng)的響應(yīng)速度將大幅降低,因此對于一些轉(zhuǎn)向速度較慢的大型海洋機器人難以適用?,F(xiàn)有技術(shù)也試圖通過限制艏向角變化來抑制振蕩問題,雖然可以抑制系統(tǒng)輸出振蕩問題,但是采用的是與艏向系統(tǒng)不匹配的增量型輸入/輸出數(shù)據(jù)模型,依然會影響響應(yīng)速度和抗擾能力,尤其是在角速度噪聲下系統(tǒng)輸出易發(fā)生抖振。目前,無模型自適應(yīng)控制方法依然與海洋機器人艏向控制系統(tǒng)不契合。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、有鑒于此,本技術(shù)實施例提供一種海洋機器人用位置型緊格式無模型自適應(yīng)艏向控制方法及裝置、電子設(shè)備、存儲介質(zhì),解決了將無模型自適應(yīng)控制方法直接應(yīng)用于海洋機器人艏向控制系統(tǒng)時所產(chǎn)生的系統(tǒng)輸出振蕩發(fā)散問題。
2、根據(jù)本技術(shù)實施例的第一方面,提供一種海洋機器人艏向控制方法,其特征在于,所述方法包括:
3、對海洋機器人艏向控制系統(tǒng)構(gòu)建位置型緊格式動態(tài)輸入/輸出數(shù)據(jù)模型;
4、確定自適應(yīng)控制輸入解算準則函數(shù),根據(jù)所述自適應(yīng)控制輸入解算準則函數(shù)確定位置型緊格式無模型自適應(yīng)控制律;
5、根據(jù)海洋機器人艏向控制系統(tǒng)的歷史輸入輸出信息,估算當(dāng)前時刻的數(shù)據(jù)模型參數(shù),確定偽偏導(dǎo)估計值;
6、根據(jù)所述偽偏導(dǎo)估計值和位置型緊格式無模型自適應(yīng)控制律,計算當(dāng)前時刻的海洋機器人艏向控制系統(tǒng)的輸入信息;
7、執(zhí)行所述輸入信息,對海洋機器人進行艏向控制。
8、在一些示例性的實施例中,所述方法還包括:判斷海洋機器人艏向偏差是否小于預(yù)設(shè)閾值,當(dāng)海洋機器人艏向偏差不小于預(yù)設(shè)閾值時,重新估算當(dāng)前時刻的數(shù)據(jù)模型參數(shù),確定偽偏導(dǎo)估計值。
9、在一些示例性的實施例中,所述對海洋機器人艏向控制系統(tǒng)構(gòu)建位置型緊格式動態(tài)輸入/輸出數(shù)據(jù)模型包括:
10、構(gòu)建時刻的艏向控制系統(tǒng)輸出信息、時刻的艏向控制系統(tǒng)輸入信息、時刻被稱為偽偏導(dǎo)的模型參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系;
11、所述位置型緊格式動態(tài)輸入/輸出數(shù)據(jù)模型為:
12、;
13、其中和分別為時刻和時刻的艏向控制系統(tǒng)輸出信息,為時刻的艏向控制系統(tǒng)輸入信息,是時刻被稱為偽偏導(dǎo)的模型參數(shù),的正負號保持不變。
14、在一些示例性的實施例中,確定自適應(yīng)控制輸入解算準則函數(shù)包括:
15、根據(jù)時刻的海洋機器人艏向控制系統(tǒng)的輸入信息、時刻的海洋機器人艏向控制系統(tǒng)的輸出信息、時刻的期望艏向角、輸入項限制系數(shù)、時刻被稱為偽偏導(dǎo)的模型參數(shù)確定自適應(yīng)控制輸入解算準則函數(shù);
16、所述自適應(yīng)控制輸入解算準則函數(shù)為:
17、;
18、其中,為時刻的海洋機器人艏向控制系統(tǒng)的輸入信息,為時刻的海洋機器人艏向控制系統(tǒng)的輸出信息,為時刻的期望艏向角,為輸入項限制系數(shù),是時刻被稱為偽偏導(dǎo)的模型參數(shù)。
19、在一些示例性的實施例中,所述根據(jù)所述自適應(yīng)控制輸入解算準則函數(shù)確定位置型緊格式無模型自適應(yīng)控制律包括:
20、將位置型緊格式動態(tài)輸入/輸出數(shù)據(jù)模型代入自適應(yīng)控制輸入解算準則函數(shù)中,并令,確定位置型緊格式無模型自適應(yīng)控制律:
21、;
22、其中,偽偏導(dǎo)估計為模型參數(shù)的估計值,為輸入項限制系數(shù),為時刻的期望艏向角,為引入的步長因子。
23、在一些示例性的實施例中,所述海洋機器人艏向控制系統(tǒng)的歷史輸入輸出信息包括:
24、時刻的輸入信息、時刻的輸出信息、時刻的輸出信息以及時刻的偽偏導(dǎo)估計值。
25、在一些示例性的實施例中,根據(jù)海洋機器人艏向控制系統(tǒng)的歷史輸入輸出信息,基于以下模型估算當(dāng)前時刻的數(shù)據(jù)模型參數(shù)當(dāng)前時刻的數(shù)據(jù)模型參數(shù):
26、;
27、其中為時刻的偽偏導(dǎo)估計,為引入的步長因子,為限制偽偏導(dǎo)估計變化的權(quán)重系數(shù),。
28、在一些示例性的實施例中,所述確定偽偏導(dǎo)估計值包括:
29、引入偽偏導(dǎo)估計重置機制,當(dāng)、時,則令;其中,為正數(shù)且數(shù)值極小,為初始偽偏導(dǎo)估計。
30、在一些示例性的實施例中,所述判斷海洋機器人艏向偏差是否小于預(yù)設(shè)閾值包括:
31、計算海洋機器人在當(dāng)前時刻的期望艏向角與實際艏向角之間的差值;
32、判斷的絕對值是否小于預(yù)設(shè)的偏差閾值。
33、根據(jù)本技術(shù)實施例的第二方面,提供一種海洋機器人艏向控制裝置,所述裝置包括:
34、模型構(gòu)建單元,用于對海洋機器人艏向控制系統(tǒng)構(gòu)建位置型緊格式動態(tài)輸入/輸出數(shù)據(jù)模型;
35、函數(shù)設(shè)計單元,用于確定自適應(yīng)控制輸入解算準則函數(shù),根據(jù)所述自適應(yīng)控制輸入解算準則函數(shù)確定位置型緊格式無模型自適應(yīng)控制律;
36、偏導(dǎo)估算單元,用于根據(jù)海洋機器人艏向控制系統(tǒng)的歷史輸入輸出信息,估算當(dāng)前時刻的數(shù)據(jù)模型參數(shù),確定偽偏導(dǎo)估計值;
37、信息計算單元,用于根據(jù)所述偽偏導(dǎo)估計值和位置型緊格式無模型自適應(yīng)控制律,計算當(dāng)前時刻的海洋機器人艏向控制系統(tǒng)的輸入信息;
38、控制執(zhí)行單元,用于執(zhí)行所述輸入信息,對海洋機器人進行艏向控制。
39、偏差判斷單元,用判斷海洋機器人艏向偏差是否小于預(yù)設(shè)閾值,當(dāng)海洋機器人艏向偏差不小于預(yù)設(shè)閾值時,重新估算當(dāng)前時刻的數(shù)據(jù)模型參數(shù),確定偽偏導(dǎo)估計值。
40、根據(jù)本技術(shù)實施例的第三方面,提供一種電子設(shè)備,包括處理器和用于存儲處理器可執(zhí)行指令的存儲器,其特征在于,所述處理器被配置為在調(diào)用存儲器中的可執(zhí)行指令時,能夠執(zhí)行上述的海洋機器人用位置型緊格式無模型自適應(yīng)艏向控制方法的步驟。
41、根據(jù)本技術(shù)實施例的第四方面,提供一種計算機可讀存儲介質(zhì),其特征在于,所述計算機可讀存儲介質(zhì)內(nèi)存儲有計算機程序,所述計算機程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)上述的海洋機器人用位置型緊格式無模型自適應(yīng)艏向控制方法的步驟。
42、本技術(shù)實施例的海洋機器人用位置型緊格式無模型自適應(yīng)艏向控制方法,將原緊格式無模型自適應(yīng)控制中的增量型輸入/輸出數(shù)據(jù)模型改進為位置型輸入/輸出數(shù)據(jù)模型,進而改進控制輸入解算準則函數(shù)與偽偏導(dǎo)估計算法,提出海洋機器人用位置型緊格式無模型自適應(yīng)控制方法,在不添加其他參數(shù)的前提下,解決了無模型自適應(yīng)控制方法無法直接應(yīng)用于海洋機器人艏向控制系統(tǒng)的問題。