本發(fā)明屬于水下機(jī)械臂控制，具體涉及一種基于交叉耦合策略的水下雙臂同步預(yù)測控制方法、設(shè)備及存儲介質(zhì)。

背景技術(shù)：

1、作為水下機(jī)器人-機(jī)械臂系統(tǒng)的重要組成部分，水下機(jī)械臂的研究和應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，涵蓋了海洋科學(xué)、資源勘探、海洋環(huán)境監(jiān)測、海底考古、海洋能源開發(fā)等多個領(lǐng)域，同時涉及機(jī)械工程、電子工程、控制工程、計算機(jī)科學(xué)等多個學(xué)科。

2、與陸地環(huán)境不同，水下環(huán)境的不確定性為水下機(jī)械臂的研究帶來諸多挑戰(zhàn)。水下環(huán)境的不確定性與復(fù)雜性以及水動力的影響，使得實現(xiàn)水下機(jī)械臂的自主性和智能化成為一項艱巨任務(wù)。在執(zhí)行海底管道維修、水下考古、深海資源開發(fā)等復(fù)雜作業(yè)時，傳統(tǒng)的水下單機(jī)械臂存在抓取范圍受限、操作靈活性不足等弊端，通過引入水下雙臂系統(tǒng)同步控制技術(shù)，可以實現(xiàn)機(jī)器人在水下環(huán)境中更加靈活高效地完成水下任務(wù)。通過協(xié)同作業(yè)，雙臂相互協(xié)調(diào)，適應(yīng)復(fù)雜多變的水下環(huán)境，提高運行的成功率和效率?，F(xiàn)有技術(shù)通過構(gòu)建帶有約束的時變同步規(guī)劃模型來解決水下雙臂同步控制中的關(guān)節(jié)空間受限問題。該方法通過在時變非線性模型中引入約束條件，使得水下雙臂機(jī)械手在關(guān)節(jié)運動空間受限的情況下仍然可以精確地完成特定的同步規(guī)劃任務(wù)，但該方法處理約束的方式不夠直觀，適用性較差，且沒有考慮水下環(huán)境不確定性對水下雙臂同步控制的影響。

3、本發(fā)明的重點是設(shè)計一種水下雙臂同步控制方法，基于交叉耦合策略和模型預(yù)測控制的原理，設(shè)計水下雙臂系統(tǒng)同步預(yù)測控制器，實現(xiàn)對機(jī)械臂關(guān)節(jié)跟蹤誤差和同步誤差的同時控制，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計擾動觀測器對水下環(huán)境的不確定擾動和模型參數(shù)的不確定項進(jìn)行觀測并將其補償?shù)较到y(tǒng)控制輸入，增強(qiáng)了水下雙臂同步控制系統(tǒng)對外界干擾的魯棒性。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種基于交叉耦合策略的水下雙臂同步預(yù)測控制方法、設(shè)備及存儲介質(zhì)，用以解決現(xiàn)有技術(shù)中處理約束的方式不夠直觀，適用性較差，且沒有考慮水下環(huán)境不確定性對水下雙臂同步控制的影響的問題。

2、本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

3、一種基于交叉耦合策略的水下雙臂同步預(yù)測控制方法，所述方法包括以下步驟，

4、步驟1：基于拉格朗日能量法建立水下雙臂系統(tǒng)的耦合動力學(xué)模型；

5、步驟2：基于步驟1的耦合動力學(xué)模型、交叉耦合策略和模型預(yù)測控制，設(shè)計水下雙臂系統(tǒng)的同步預(yù)測控制器；

6、步驟3：基于步驟2的同步預(yù)測控制器，設(shè)計擾動觀測器對擾動進(jìn)行估計并將其補償?shù)较到y(tǒng)控制輸入，實現(xiàn)水下雙臂系統(tǒng)同步預(yù)測控制。

7、進(jìn)一步的，所述步驟1具體為，根據(jù)水下雙臂同步控制過程中的耦合作用，忽略水下環(huán)境不確定擾動與模型不確定項，得到水下雙臂系統(tǒng)的耦合動力學(xué)模型如下式所示：

8、

9、其中，，，，為左機(jī)械臂兩關(guān)節(jié)角度變量，為右機(jī)械臂兩關(guān)節(jié)角度變量，為左機(jī)械臂兩關(guān)節(jié)角速度變量，為右機(jī)械臂兩關(guān)節(jié)角速度變量，為左機(jī)械臂兩關(guān)節(jié)角加速度變量，為右機(jī)械臂兩關(guān)節(jié)角加速度變量，表示水下雙臂系統(tǒng)的廣義慣性矩陣，表示系統(tǒng)的廣義向心力和科氏力矩陣，表示系統(tǒng)的廣義水動力矩陣，表示系統(tǒng)的廣義等效重力矩陣，表示系統(tǒng)的廣義雅可比矩陣轉(zhuǎn)置，為目標(biāo)物體所受到的廣義力；為系統(tǒng)機(jī)械臂關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動力矩陣。

10、進(jìn)一步的，所述步驟2具體為，定義機(jī)械臂關(guān)節(jié)角度跟蹤誤差和關(guān)節(jié)角速度跟蹤誤差如下式所示：

11、

12、其中，為水下雙臂各關(guān)節(jié)期望角度變量，為水下雙臂各關(guān)節(jié)期望角速度變量；

13、定義機(jī)械臂關(guān)節(jié)角度同步誤差和關(guān)節(jié)角速度同步誤差如下式所示：

14、

15、

16、接著，定義耦合誤差如下式所示：

17、

18、其中，為跟蹤誤差，，為同步誤差，，為轉(zhuǎn)換矩陣，為交叉耦合系數(shù)。

19、進(jìn)一步的，對步驟1的系統(tǒng)動力學(xué)模型進(jìn)行線性化和離散化處理，得到水下雙臂系統(tǒng)的離散時間線性化狀態(tài)方程如下式所示：

20、

21、其中，為機(jī)械臂關(guān)節(jié)狀態(tài)變量，；為機(jī)械臂關(guān)節(jié)控制輸入，；、、均是由關(guān)節(jié)狀態(tài)期望軌跡決定的轉(zhuǎn)換矩陣，在采樣周期內(nèi)保持恒定；在采樣時刻，為系統(tǒng)時刻機(jī)械臂關(guān)節(jié)的預(yù)測狀態(tài)，為系統(tǒng)時刻機(jī)械臂關(guān)節(jié)的實際狀態(tài)，可由關(guān)節(jié)傳感器測得，為系統(tǒng)時刻機(jī)械臂關(guān)節(jié)的控制輸入，為系統(tǒng)時刻機(jī)械臂關(guān)節(jié)的輸出。

22、進(jìn)一步的，根據(jù)水下雙臂系統(tǒng)的離散時間線性化狀態(tài)方程設(shè)計狀態(tài)預(yù)測器如下式所示：

23、

24、其中，為預(yù)測時域內(nèi)系統(tǒng)的預(yù)測狀態(tài)序列，；為基于系統(tǒng)時刻實際狀態(tài)預(yù)測的時刻系統(tǒng)狀態(tài)，為預(yù)測時域內(nèi)系統(tǒng)的控制輸入序列，；為系統(tǒng)時刻的假定控制輸入；、、是由、所決定的轉(zhuǎn)化矩陣，為預(yù)測時域。

25、進(jìn)一步的，構(gòu)造二次規(guī)劃問題如下式所示：

26、

27、其中，為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)；、分別為關(guān)節(jié)狀態(tài)誤差權(quán)重矩陣和控制輸入增量權(quán)重矩陣；為單位矩陣；為預(yù)測時域內(nèi)系統(tǒng)的控制輸入增量序列，；表示系統(tǒng)時刻的假定控制輸入增量，，為僅由系統(tǒng)時刻輸入構(gòu)成的列向量，為常轉(zhuǎn)化矩陣，為預(yù)測時域內(nèi)系統(tǒng)的跟蹤誤差序列，；

28、

29、其中，為預(yù)測時域內(nèi)系統(tǒng)的預(yù)測狀態(tài)序列，為預(yù)測時域內(nèi)系統(tǒng)的期望狀態(tài)序列，；、為關(guān)節(jié)狀態(tài)極限值，、為控制輸入極限值，、為控制輸入增量極限值；、、是由、所決定的轉(zhuǎn)化矩陣；

30、通過優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)對預(yù)測時域內(nèi)系統(tǒng)的控制輸入增量求偏導(dǎo)等于零，求解最優(yōu)控制輸入增量序列如下式所示：

31、

32、

33、其中，為轉(zhuǎn)換矩陣，、分別為關(guān)節(jié)狀態(tài)誤差權(quán)重矩陣和控制輸入增量權(quán)重矩陣；

34、根據(jù)模型預(yù)測控制原理，取優(yōu)控制輸入增量向量的第一項作為系統(tǒng)時刻控制輸入。

35、進(jìn)一步的，所述步驟3在步驟1中得到的系統(tǒng)動力學(xué)模型引入擾動項如下式所示：

36、

37、其中，為總干擾，、、和均表示相應(yīng)參數(shù)矩陣的已知部分，，、、和均表示相應(yīng)參數(shù)矩陣的未知部分。

38、定義，，系統(tǒng)動力學(xué)模型可轉(zhuǎn)化成下式所示：

39、

40、其中，為機(jī)械臂末端執(zhí)行器所受外力；

41、構(gòu)造擾動觀測器如下式所示：

42、

43、其中，、分別為、的估計值，。

44、進(jìn)一步的，定義觀察誤差的狀態(tài)變量，擾動觀測器轉(zhuǎn)化成下式所示：

45、

46、其中，，、、和均為由系統(tǒng)參數(shù)決定的轉(zhuǎn)換矩陣；，根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)選取合適的，使得，以實現(xiàn)對總擾動的觀測。

47、一種計算機(jī)設(shè)備，包括存儲器、處理器及存儲在存儲器上并可在處理器上運行的計算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述計算機(jī)程序時，實現(xiàn)如上述的方法。

48、一種計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，所述計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)內(nèi)存儲有計算機(jī)程序，所述計算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)如上述的方法。

49、本發(fā)明的有益效果是：

50、本發(fā)明基于交叉耦合策略和模型預(yù)測控制的原理，設(shè)計水下雙臂系統(tǒng)同步預(yù)測控制器；該控制器可以根據(jù)某一時刻由關(guān)節(jié)傳感器測得的系統(tǒng)狀態(tài)以及系統(tǒng)參數(shù)，對系統(tǒng)未來一定時域內(nèi)的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測，構(gòu)造包含系統(tǒng)跟蹤誤差與同步誤差以及系統(tǒng)控制輸入的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，求解優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)得到系統(tǒng)此時刻的最優(yōu)控制輸入，通過滾動優(yōu)化策略實現(xiàn)水下雙臂同步預(yù)測控制。在同步預(yù)測控制器基礎(chǔ)上，設(shè)計擾動觀測器，將不確定擾動所造成的控制系統(tǒng)實際模型與名義模型輸出的差異視為控制系統(tǒng)的總擾動，在系統(tǒng)控制輸入中引入觀測出的等量擾動補償，以消除擾動的影響，增強(qiáng)水下雙臂同步控制系統(tǒng)對外界干擾的魯棒性。

51、本發(fā)明法充分發(fā)揮了模型預(yù)測控制顯性處理約束的能力，使得在水下雙臂系統(tǒng)同步控制過程中更方便直觀地處理系統(tǒng)約束。該方法設(shè)計了針對外部不確定擾動和內(nèi)部參數(shù)不確定項的擾動觀測器，顯著增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性和穩(wěn)定性，提高了水下雙臂系統(tǒng)執(zhí)行水下任務(wù)的成功率和效率。