葛安亮，陳 浩，邵緒新，李相坤

（1.中國海洋大學(xué)工程訓(xùn)練中心，山東 青島 266100；2.中國海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266100）

0 引 言

隨著水下機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，海參捕撈機(jī)器人正逐步取代費(fèi)時(shí)費(fèi)力且危險(xiǎn)性極高的人工捕撈作業(yè)[1]。采用水下機(jī)器人進(jìn)行海參捕撈，不僅解放了人力，還擴(kuò)大了捕撈范圍，提高了海參的捕獲量。為了保證海參捕撈機(jī)器人的作業(yè)時(shí)間，同時(shí)保證機(jī)器人通信的穩(wěn)定性，一般將其設(shè)計(jì)為有纜水下機(jī)器人（ROV）[2-3]。但是由于海底的作業(yè)環(huán)境惡劣多變和機(jī)器人的結(jié)構(gòu)功能復(fù)雜，同時(shí)所捕撈的海參也會對機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)造成干擾，導(dǎo)致機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制難度增大，一旦控制精度降低，將會影響海參的捕撈效率，嚴(yán)重時(shí)還會導(dǎo)致機(jī)器人發(fā)生側(cè)翻。由此可見，海參捕撈機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是保證機(jī)器人捕撈效率和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵。

由于捕撈目標(biāo)的復(fù)雜性，在設(shè)計(jì)過程中通常會忽略掉其對機(jī)器人所造成的干擾[4-8]。但在實(shí)際情況下，隨著捕撈時(shí)間的增加，捕撈目標(biāo)的質(zhì)量會越來越大，而且捕撈目標(biāo)在慣性和流體作用下還會發(fā)生移動(dòng)，從而導(dǎo)致機(jī)器人的質(zhì)量、質(zhì)心等參數(shù)發(fā)生變化。如果系統(tǒng)的魯棒性不強(qiáng)，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制精度將會大大下降。針對捕撈目標(biāo)對機(jī)器人的干擾問題，最常用的解決方法主要有：設(shè)計(jì)魯棒性更強(qiáng)的控制系統(tǒng)、通過質(zhì)量塊或浮體移動(dòng)補(bǔ)償裝置進(jìn)行補(bǔ)償、抽送高密度液體進(jìn)行補(bǔ)償、通過推進(jìn)器冗余推力進(jìn)行補(bǔ)償?shù)萚9]。關(guān)于水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的干擾研究，方磊等人利用自抗擾控制技術(shù)建立了AUV 的路徑跟蹤誤差方程[10]；田烈余等人通過結(jié)合PI 控制和PID控制，對水下機(jī)器人的控制器進(jìn)行了抗干擾測試[11]；陳恩志等人和華長春等人均是利用干擾觀測器對水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)干擾補(bǔ)償，從而提高了控制系統(tǒng)的魯棒性[12-13]。G. V. Lakhekar 等人基于干擾觀測器的模糊自適應(yīng)S 面控制器對水下機(jī)器人的空間軌跡跟蹤進(jìn)行了控制分析[14]；R. Fernandez 等人基于非線性狀態(tài)反饋線性化原理和有限水平線性二次調(diào)節(jié)器，對球形水下機(jī)器人進(jìn)行了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[15]；V. L. Oliveira 等人同樣運(yùn)用干擾觀測器對水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了模型預(yù)測控制[16]；J. Bak 等人基于冗余驅(qū)動(dòng)模型的分解補(bǔ)償法對傾斜推進(jìn)器水下機(jī)器人的懸停進(jìn)行了控制研究[17]。

綜上所述，水下捕撈機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的設(shè)計(jì)需要綜合考慮各方面的影響，捕撈目標(biāo)的影響更是不容忽視。目前，針對海參捕撈機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究也相對較少，因此，本文綜合考慮海參的干擾，對機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行更全面的研究分析，對于提升機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)捕撈目標(biāo)的精準(zhǔn)定位具有重要的實(shí)際意義，也將推動(dòng)海參捕撈機(jī)器人的市場化進(jìn)程。

1 海參捕撈機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型

針對淺海海底的海參捕撈作業(yè)需求，設(shè)計(jì)一種海底行進(jìn)式的有纜水下機(jī)器人（長×寬×高為1 600 mm×800 mm×450 mm），如圖1 所示。該機(jī)器人主要由控制艙、收集艙、履帶、吸捕結(jié)構(gòu)、推進(jìn)器、浮體材料和臍帶纜等幾部分組成，機(jī)器人的總重力約為1 500 N，機(jī)器人可以通過推進(jìn)器實(shí)現(xiàn)在水中的運(yùn)動(dòng)，通過履帶牽引實(shí)現(xiàn)在水底的行進(jìn)。

圖1 海參捕撈機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖

1.1 動(dòng)力學(xué)模型

本文參考文獻(xiàn)[18]中等提出的水下機(jī)器人建模方法，綜合考慮機(jī)器人在水中作業(yè)時(shí)會受到自身重力、浮力、推進(jìn)器推力、恢復(fù)力、流體阻力及海參干擾，建立一種海參捕撈機(jī)器人在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)力學(xué)模型。

1）剛體動(dòng)力學(xué)

機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)主要是平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，將機(jī)器人假設(shè)為理想的剛體，根據(jù)歐拉定理和牛頓第二定律，建立機(jī)器人的剛體動(dòng)力學(xué)模型[19-20]，公式如下：

式中：MRB為機(jī)器人的慣性質(zhì)量矩陣；CRB為科氏力矩陣[21]。

2）流體動(dòng)力學(xué)

機(jī)器人在水下運(yùn)動(dòng)時(shí)，會受到流體的作用力，其合外力（矩）τH可表示為：

式中：τT為所有推進(jìn)器的合外力（矩）；MA為附加質(zhì)量；CA為科氏力；D(υ)為阻尼力；g(η)為恢復(fù)力。

3）恢復(fù)力

為保證機(jī)器人在水中不會發(fā)生傾斜和側(cè)翻，通常將機(jī)器人的浮心設(shè)計(jì)在重心的正上方，則浮力P與重力W就組成了一組恢復(fù)力矩[22]。當(dāng)機(jī)器人的俯仰角φ和橫滾角θ改變時(shí)，恢復(fù)力矩始終保持在豎直方向上，恢復(fù)力所產(chǎn)生的分力和力矩會促使機(jī)器人發(fā)生位移和恢復(fù)到初始的平穩(wěn)姿態(tài)。恢復(fù)力的矩陣表示如下：

4）推進(jìn)器推力

機(jī)器人在水中的運(yùn)動(dòng)是依靠推進(jìn)器的槳葉正反轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的向前和向后的推力。為方便建模，將推進(jìn)器的推力T與槳葉的轉(zhuǎn)速n簡化為二階非線性關(guān)系[23]，表達(dá)式如下：

式中：D為槳葉直徑；KT為推力因數(shù)；J0為進(jìn)速比。

所有推進(jìn)器的總推力τT可表示為：

式中：H為推力分配矩陣，其與機(jī)器人的自由度和推進(jìn)器的布置方式、位置相關(guān)。

5）海參干擾

由于海參質(zhì)量的增加是不規(guī)律的，而且在慣性和流體的作用下，收集艙內(nèi)的海參還會發(fā)生移動(dòng)，所以海參所造成的干擾也是不確定的。將這部分干擾定義為τd，τd可表示為各個(gè)量的變化量之和，公式為：

綜上，得到海參捕撈機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型，公式為：

1.2 模型參數(shù)求解

1.2.1 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

在Solidworks 中對機(jī)器人進(jìn)行三維建模，并賦予各零部件材料屬性，利用質(zhì)量參數(shù)功能，求解得到機(jī)器人空載時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量矩陣，如下：

1.1.2 推力分配矩陣

為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的六自由度運(yùn)動(dòng)，本機(jī)器人布置了8個(gè)推進(jìn)器，推進(jìn)器布置如圖2 所示。

圖2 推進(jìn)器布置

與水平方向呈45°角布置的4 個(gè)推進(jìn)器距離X軸和Y軸的距離分別是0.38 m 和0.6 m，豎直布置的4 個(gè)推進(jìn)器距離X軸和Y軸的距離分別是0.33 m 和0.38 m。因此，推力分配矩陣H公式如下：

1.2.3 阻尼系數(shù)

由于一階和二階阻尼系數(shù)分別是阻力與速度多項(xiàng)式中的一次項(xiàng)和二次項(xiàng)系數(shù)，所以借助于Fluent 軟件模擬機(jī)器人在各運(yùn)動(dòng)自由度下的不同速度工況，得到機(jī)器人在各運(yùn)動(dòng)自由度下不同流速工況的阻力。然后對阻力和速度進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，提取擬合得到的多項(xiàng)式中的一次項(xiàng)和二次項(xiàng)系數(shù)，即為一階和二階阻尼系數(shù)。

在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬之前，需要先對模型進(jìn)行適當(dāng)簡化，主要包括忽略模型上角度較小或突出的較小零部件，將推進(jìn)器、履帶總成、控制艙均簡化為實(shí)體，忽略復(fù)雜的局部曲面、倒角、定位孔和連接結(jié)構(gòu)。簡化后的機(jī)器人模型如圖3 所示。

圖3 簡化后的機(jī)器人模型

選取RANS 方程作為計(jì)算流場的控制方程，以標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型作為湍流模型，機(jī)器人直線運(yùn)動(dòng)的流體域設(shè)置為長方形（長30 m、寬14 m、高14 m），旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的流體域設(shè)置為圓柱體（半徑7 m、長30 m），模型均位于流體域的正中央。為保證計(jì)算精度，流體域的網(wǎng)格最大尺寸為200 mm，對機(jī)器人的網(wǎng)格進(jìn)行局部細(xì)化，網(wǎng)格最大尺寸為10 mm。劃分好網(wǎng)格的模型局部圖如圖4 所示。

圖4 局部網(wǎng)格劃分

機(jī)器人在6 個(gè)自由度的阻尼系數(shù)如表1 所示。

表1 阻尼系數(shù)

1.2.4 附加質(zhì)量

由于海參捕撈機(jī)器人的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以其附加質(zhì)量通過AQWA 軟件來求解。計(jì)算模型與求解阻尼系數(shù)的模型相同，流體域設(shè)置為長方體（長30 m、寬30 m、高50 m），設(shè)置吃水深度為10 m，使模型完全浸沒在水下。在模型的重心位置增加質(zhì)量點(diǎn)，添加6 個(gè)自由度的附加質(zhì)量求解項(xiàng)。最終得到機(jī)器人的附加質(zhì)量，公式如下：

2 水動(dòng)力學(xué)性能分析

以動(dòng)力學(xué)模型為基礎(chǔ)，運(yùn)用模型預(yù)測控制（MPC）理論，創(chuàng)建海參捕撈機(jī)器人的預(yù)測控制模型。由于海參干擾具有不確定性，因此采用非線性干擾觀測器（NDO）來預(yù)估該部分不規(guī)則干擾，然后進(jìn)行反饋補(bǔ)償。整個(gè)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 預(yù)測模型

為了實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人位置和姿態(tài)的優(yōu)化控制，在機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，增加機(jī)器人在6 個(gè)自由度上的位移和角度作為新的狀態(tài)量，增廣后的狀態(tài)方程為：

為了實(shí)現(xiàn)預(yù)測模型對未來狀態(tài)量的迭代預(yù)測，還需要對式（11）進(jìn)行線性化處理，本文采用工作點(diǎn)處近似線性化的方法，將其轉(zhuǎn)化為線性時(shí)變的狀態(tài)方程。則在任意時(shí)刻t，機(jī)器人經(jīng)過線性化后的狀態(tài)方程為：

線性化后的狀態(tài)方程是連續(xù)的，還需將其離散化才能進(jìn)行后續(xù)的迭代預(yù)測。離散化后的狀態(tài)方程矩陣公式為：

2.2 目標(biāo)函數(shù)

目標(biāo)函數(shù)可以使系統(tǒng)對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，并且預(yù)測時(shí)域內(nèi)各時(shí)刻的控制增量。以機(jī)器人的位置、姿態(tài)和控制量作為優(yōu)化目標(biāo)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)為：

為實(shí)現(xiàn)對控制增量的精確控制，將式（14）轉(zhuǎn)化為以控制增量為變量的目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，表示為：

式中：第一項(xiàng)是對系統(tǒng)的跟蹤性能優(yōu)化；第二項(xiàng)是要求系統(tǒng)控制量平穩(wěn)變化[24]；Q和R為權(quán)重矩陣。

2.3 約束條件

在系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過程中，各狀態(tài)量的變化會受到系統(tǒng)本身性能的限制，比如：推進(jìn)器輸出的力不是無限的，推進(jìn)器無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速和推力的關(guān)系等，因此需要對控制量施加約束條件。將目標(biāo)函數(shù)的未知量設(shè)為預(yù)測時(shí)域內(nèi)的一系列控制增量Δu，其他變量轉(zhuǎn)化為用控制增量表達(dá)的形式[25]，則控制量與增量滿足如下關(guān)系：

因此，控制量的約束轉(zhuǎn)換為：

根據(jù)處理后的約束條件，可以將原來的目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為解決以下方程的二次規(guī)劃問題：

2.4 滾動(dòng)優(yōu)化

在每一個(gè)時(shí)刻模型預(yù)測控制器對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解之后，得到該時(shí)刻控制時(shí)域Nc內(nèi)的控制增量為：

在這基礎(chǔ)上，結(jié)合上一時(shí)刻的控制量，即為當(dāng)前時(shí)刻的控制量。機(jī)器人運(yùn)行到下一個(gè)時(shí)刻時(shí)，繼續(xù)重復(fù)求解過程，就可以實(shí)現(xiàn)軌跡跟蹤。滾動(dòng)優(yōu)化流程見圖6。

圖6 滾動(dòng)優(yōu)化流程

2.5 非線性干擾觀測器

非線性干擾觀測器是將所有的外界干擾和模型參數(shù)變化引起的內(nèi)部干擾全部等效為一個(gè)整體，并反饋到系統(tǒng)輸入端，通過調(diào)節(jié)推進(jìn)器的冗余推力對所有干擾進(jìn)行補(bǔ)償。本文主要考慮機(jī)器人的質(zhì)量和質(zhì)心參數(shù)變化所引起的干擾，設(shè)計(jì)的非線性干擾觀測器公式如下：

3 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)仿真研究

根據(jù)所建立的機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型，在Simulink 中搭建海參捕撈機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制仿真模型，并將運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的狀態(tài)量輸入到Matlab 的工作空間，求出增廣后的機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型分別關(guān)于增廣狀態(tài)量和控制量的雅可比矩陣，并將其離散化后代入到模型預(yù)測控制程序中。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的Simulink 仿真模型如圖7 所示。

圖7 控制系統(tǒng)Simulink 仿真模型

以機(jī)器人未開始捕撈作業(yè)時(shí)作為初始穩(wěn)定狀態(tài)，將模型的軌跡追蹤權(quán)重系數(shù)Q設(shè)置為5 000，控制增量約束權(quán)重系數(shù)R設(shè)置為0.01，非線性干擾觀測器收斂系數(shù)C設(shè)置為1，預(yù)測時(shí)域NP 長度設(shè)置為15 步，控制時(shí)域NC 長度設(shè)置為1 步。

3.1 定深控制仿真

海參捕撈機(jī)器人通常是在海底進(jìn)行捕撈作業(yè)，但也有極個(gè)別的目標(biāo)作業(yè)深度較淺，這時(shí)就需要通過推進(jìn)器控制機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)定深下潛。以水下5 m 深度為目標(biāo)量，對機(jī)器人進(jìn)行定深控制仿真，仿真結(jié)果如圖8 所示，其中無深度控制的機(jī)器人下沉曲線如圖8a）所示，進(jìn)行深度控制后的機(jī)器人下沉運(yùn)動(dòng)曲線如圖8b）所示。

圖8 定深控制仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果可以看出：當(dāng)沒有進(jìn)行深度控制時(shí)，在下沉的開始階段，機(jī)器人在重力作用下加速下沉；隨著下沉速度的增大，水阻力也在增大，當(dāng)水阻力與重力相互平衡之后，機(jī)器人就會轉(zhuǎn)變成勻速下沉，在圖8a）中的曲線斜率也是呈現(xiàn)先增大后保持不變的變化規(guī)律。當(dāng)對機(jī)器人進(jìn)行定深控制時(shí)，機(jī)器人會下沉至目標(biāo)深度附近，通過推進(jìn)器克服重力作用并進(jìn)行深度調(diào)整，直至調(diào)整至目標(biāo)深度。在定深過程中，上升時(shí)間為23.8 s，最大超調(diào)量約為13.6%，穩(wěn)態(tài)誤差為0.01 m。機(jī)器人到達(dá)目標(biāo)深度的時(shí)間會受推進(jìn)器推力大小的影響，推進(jìn)器推力越大，到達(dá)穩(wěn)定的時(shí)間越短，但會對超調(diào)量有所影響。

3.2 姿態(tài)保持控制仿真

機(jī)器人在水中的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)主要表現(xiàn)為偏航運(yùn)動(dòng)和小角度的俯仰運(yùn)動(dòng)。根據(jù)右手定則，設(shè)置目標(biāo)仰角為0.3 rad，右偏轉(zhuǎn)角度為0.5 rad，分別進(jìn)行姿態(tài)保持控制仿真，仿真結(jié)果如圖9 所示。

圖9 姿態(tài)保持仿真結(jié)果

從圖9 中可以看出，當(dāng)給定目標(biāo)角度后，機(jī)器人經(jīng)過一段時(shí)間的調(diào)整，最終均可達(dá)到目標(biāo)角度的姿態(tài)。其中，俯仰姿態(tài)的上升時(shí)間為20 s，穩(wěn)態(tài)誤差為0.002 rad；偏航姿態(tài)的上升時(shí)間為9.6 s，最大超調(diào)量為10.2%，穩(wěn)態(tài)誤差為0.001 rad。俯仰運(yùn)動(dòng)的上升時(shí)間和穩(wěn)態(tài)誤差均大于偏航運(yùn)動(dòng)，其原因是在俯仰運(yùn)動(dòng)過程中，由于俯仰角的存在，會導(dǎo)致重力和浮力組成的恢復(fù)力在X軸方向和繞Y軸方向產(chǎn)生阻力（矩），該力（矩）會促使機(jī)器人向前運(yùn)動(dòng)和恢復(fù)到原始姿態(tài)。為了抵消恢復(fù)力矩，需要通過推進(jìn)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，使機(jī)器人保持姿態(tài)穩(wěn)定，這也導(dǎo)致機(jī)器人會產(chǎn)生一定的波動(dòng)。在偏航角度控制時(shí)，由于只有水阻力，因此在控制過程中會產(chǎn)生一定的超調(diào)量，但是經(jīng)過反饋矯正后最終會達(dá)到目標(biāo)角度，且姿態(tài)保持穩(wěn)定。

3.3 路徑跟蹤控制仿真

機(jī)器人在水中的運(yùn)動(dòng)是連續(xù)的，因此控制系統(tǒng)需要對動(dòng)態(tài)軌跡具備良好的連續(xù)追蹤能力。此次仿真選取的是半徑為10 m 的圓形軌跡，圓心偏離X軸正方向15 m。設(shè)定參考點(diǎn)的速度為0.5 m/s，軌跡起點(diǎn)坐標(biāo)為（5 m，0 m），追蹤軌跡如圖10 所示，機(jī)器人在X軸和Y軸的動(dòng)態(tài)追蹤誤差如圖11 所示。

圖10 圓形追蹤軌跡

圖11 X 軸和Y 軸動(dòng)態(tài)追蹤誤差

從仿真結(jié)果可以看出，初始時(shí)刻機(jī)器人的機(jī)體坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系相互重合，X軸的正方向?yàn)闄C(jī)器人頭部的指向。隨著運(yùn)動(dòng)的開始，機(jī)器人在X軸方向相對初始目標(biāo)點(diǎn)有一定的偏移，X方向的偏差使機(jī)器人開始向軌跡點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，在追蹤軌跡的過程中，X軸誤差逐漸減小。同時(shí)，軌跡點(diǎn)在Y方向運(yùn)動(dòng)，使得機(jī)器人Y軸誤差逐漸增大，機(jī)器人開始在Y方向追蹤軌跡點(diǎn)。經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行后，誤差逐漸收斂，實(shí)現(xiàn)對圓形參考軌跡的追蹤控制。最終，X軸的穩(wěn)定誤差為0.02 m，Y軸的穩(wěn)定誤差為0.01 m，機(jī)器人穩(wěn)定后的速度達(dá)到0.5 m/s。

3.4 海參干擾仿真

隨著收集艙內(nèi)海參的增多和移動(dòng)，機(jī)器人的質(zhì)量和質(zhì)心等參數(shù)就會改變，恢復(fù)力矩就會產(chǎn)生分力（矩），對機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生干擾。在干擾模塊中，設(shè)置收集艙內(nèi)的海參質(zhì)量為20 kg，并設(shè)置海參在X軸發(fā)生-0.3 m 的位移，在Z軸產(chǎn)生-0.1 m 的位移，運(yùn)動(dòng)過程設(shè)置為從水底上升0.5 m，則運(yùn)動(dòng)過程中機(jī)器人在有無非線性干擾觀測器情況下俯仰角的仿真結(jié)果如圖12 所示。

圖12 海參干擾仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果可以看出，無非線性干擾觀測器時(shí)，機(jī)器人產(chǎn)生了俯仰角，在原有控制系統(tǒng)的控制下，經(jīng)過一段時(shí)間后會調(diào)整到穩(wěn)定狀態(tài)，但由于魯棒性有限，而且機(jī)器人的數(shù)學(xué)模型發(fā)生了改變，所以無法使機(jī)器人完全恢復(fù)到零俯仰角的狀態(tài)，俯仰角最終穩(wěn)定在0.26 rad。采用非線性干擾觀測器后，機(jī)器人狀態(tài)量的變化會被及時(shí)評估并反饋補(bǔ)償，機(jī)器人最終會達(dá)到零俯仰角狀態(tài)，調(diào)整時(shí)間為7.9 s。由此可見，當(dāng)不考慮所捕撈海參所造成的干擾時(shí)，原有的控制系統(tǒng)只可在一定程度下保證機(jī)器人的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)；但是考慮干擾之后，機(jī)器人參數(shù)的變化會被推進(jìn)器的冗余推力抵消，避免機(jī)器人發(fā)生側(cè)翻，提高了運(yùn)動(dòng)的可控性和穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

海參捕撈機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是保證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和提高捕撈效率的關(guān)鍵。本文在綜合考慮機(jī)器人所有載荷的前提下，又考慮到海參對機(jī)器人造成的干擾，創(chuàng)建了更加全面的動(dòng)力學(xué)模型；運(yùn)用模型預(yù)測控制理論，基于機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型，創(chuàng)建了運(yùn)動(dòng)控制模型，采用非線性干擾觀測器模擬海參所造成的干擾。在Simulink 環(huán)境下對機(jī)器人進(jìn)行定深控制仿真、姿態(tài)保持控制仿真和路徑跟蹤控制仿真。通過分析仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)：該運(yùn)動(dòng)控制模型具有較高的控制精度。同時(shí)，還通過設(shè)定某一運(yùn)動(dòng)過程，比較了是否考慮海參干擾情況下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的變化，通過比較發(fā)現(xiàn)：隨著海參的累積，機(jī)器人的自身參數(shù)會發(fā)生變化，由于原控制系統(tǒng)的魯棒性有限，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會被海參所干擾；當(dāng)在控制系統(tǒng)中引入海參干擾之后，機(jī)器人會通過調(diào)節(jié)推進(jìn)器的冗余推力來抵消干擾，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。通過本文的研究工作，形成了一套系統(tǒng)完善的海參捕撈機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，對于改進(jìn)海參捕撈機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和抗干擾能力具有重要的意義。

注：本文通訊作者為李相坤。