一种海洋机器人控制方法、装置、电子设备及存储介质

本公开涉及船舶运动控制，尤其涉及一种海洋机器人控制方法、装置、电子设备及存储介质。

背景技术：

1、海洋机器人种类非常多，例如无人艇、波浪滑翔器、水下机器人等。对于海洋机器人艏向运动控制问题，其艏向控制过程的操纵执行机构大多数是依靠舵机进行驱动。对于这类艏向控制问题，已经有多种控制算法，例如经典的比例积分微分（proportionalintegral derivative，pid）控制、自抗扰控制、滑模控制、无模型自适应控制等。

2、近年来随着控制理论的发展，自抗扰控制器中的扩张状态观测器成为人们研究的焦点，其根据被控系统的输入输出对系统状态及集总扰动扩张成一个新的状态量，通过反馈机制对扰动进行补偿，实现抗干扰的效果。然而，目前扩张状态观测器仍需要已知系统输入增益系数才能更好的起到抵抗扰动的效果。因此，设计一种可以自适应对系统输入增益系数进行估计方法，实现数据驱动扩张状态观测器具有重要意义。

技术实现思路

1、本公开提供了一种海洋机器人控制方法、装置、电子设备及存储介质，以至少解决现有技术中存在的以上技术问题。

2、根据本公开的第一方面，提供一种海洋机器人控制方法，包括：

3、基于海洋机器人的实际状态、系统输入和系统输入增益系数估计值，确定海洋机器人系统状态的估计值、海洋机器人系统状态导数的估计值，以及海洋机器人系统集总扰动的估计值；具体包括：

4、将海洋机器人的实际状态、系统输入和系统输入增益系数估计值输入至扩张状态观测器，获得：

5、

6、其中，，，为扩张状态观测器的系数；为固定设计参数；为海洋机器人系统状态的估计值的导数；为海洋机器人系统状态导数的估计值的导数；为海洋机器人系统集总扰动的估计值的导数；为海洋机器人系统状态的估计误差；

7、根据海洋机器人系统状态导数的估计值、海洋机器人系统集总扰动的估计值，以及系统输入，通过动态线性化算法对系统输入增益系数进行估计，得到系统输入增益系数估计值；

8、根据海洋机器人的期望状态和海洋机器人系统状态的估计值，确定第一状态误差，将所述第一状态误差输入至运动控制器，获取运动控制器输出；

9、基于所述运动控制器输出、海洋机器人系统集总扰动的估计值和系统输入增益系数估计值，计算得到系统输入；

10、将所述系统输入输入至操作执行装置，实现对海洋机器人的控制。

11、上述方案中，所述将所述系统输入输入至操作执行装置，实现对海洋机器人的控制之后，所述方法还包括：

12、获取海洋机器人的实际状态；

13、基于所述海洋机器人的实际状态，与海洋机器人的期望状态确定海洋机器人的第二状态误差；

14、响应于所述第二状态误差大于或等于预设阈值，则重新基于运动控制器输出、海洋机器人系统集总扰动的估计值和系统输入增益系数估计值，确定系统输入。

15、上述方案中，所述根据海洋机器人系统状态导数的估计值、海洋机器人系统集总扰动的估计值，以及系统输入，通过动态线性化算法对系统输入增益系数进行估计，得到系统输入增益系数估计值，包括：

16、基于系统输入、海洋机器人系统状态导数的估计值、海洋机器人系统集总扰动的估计值和系统输入增益系数，确定系统输入输出信息与系统输入增益系数关系式：

17、

18、令，则所述系统输入输出信息与系统输入增益系数关系式为。

19、上述方案中，所述根据海洋机器人系统状态导数的估计值、海洋机器人系统集总扰动的估计值，以及系统输入，通过动态线性化算法对系统输入增益系数进行估计，得到系统输入增益系数估计值，包括：

20、基于系统输入增益系数对应的估计准则函数，对系统输入增益系数求极值，得到系统输入增益系数估计值；

21、所述系统输入增益系数对应的估计准则函数包括：

22、

23、其中，是权重因子；

24、得到系统输入增益系数估计值包括：

25、

26、其中，如果满足、或之一，则；为步长因子，为的初值，是一个充分小的正数。

27、上述方案中，所述根据海洋机器人的期望状态和海洋机器人系统状态的估计值，确定第一状态误差，将所述第一状态误差输入至运动控制器，获取运动控制器输出，包括：

28、确定第一状态误差为根据海洋机器人的期望状态和海洋机器人系统状态的估计值之差；

29、将所述第一状态误差输入至运动控制器，得到：

30、

31、其中，、和分别为比例、积分、微分系数，为仿真步长；所述运动控制器包括pid控制器、滑模控制器和模糊控制器之一。

32、上述方案中，所述基于所述运动控制器输出、海洋机器人系统集总扰动的估计值和系统输入增益系数估计值，计算得到系统输入，包括：

33、。

34、根据本公开的第二方面，提供了一种海洋机器人控制系统，所述控制系统包括主控计算机、状态传感器、操作执行装置和电源系统；所述主控计算机包括运动控制器和数据驱动扩张状态观测器，所述数据驱动扩张状态观测器中包括扩张状态观测器；所述控制系统用于海洋机器人艏向运动控制和/或海洋机器人航速运动控制；

35、所述扩张状态观测器，用于基于海洋机器人的实际状态、系统输入和系统输入增益系数估计值，确定海洋机器人系统状态的估计值、海洋机器人系统状态导数的估计值，以及海洋机器人系统集总扰动的估计值；具体用于：

36、将海洋机器人的实际状态、系统输入和系统输入增益系数估计值输入至扩张状态观测器，获得：

37、

38、其中，，，为扩张状态观测器的系数；为固定设计参数；为海洋机器人系统状态的估计值的导数；为海洋机器人系统状态导数的估计值的导数；为海洋机器人系统集总扰动的估计值的导数；为海洋机器人系统状态的估计误差；

39、所述扩张状态观测器，还用于根据海洋机器人系统状态导数的估计值、海洋机器人系统集总扰动的估计值，以及系统输入，通过动态线性化算法对系统输入增益系数进行估计，得到系统输入增益系数估计值；

40、所述运动控制器，用于根据海洋机器人的期望状态和海洋机器人系统状态的估计值，确定第一状态误差，将所述第一状态误差输入至运动控制器，获取运动控制器输出；

41、所述主控计算机，用于基于所述运动控制器输出、海洋机器人系统集总扰动的估计值和系统输入增益系数估计值，计算得到系统输入；

42、所述主控计算机，还用于将所述系统输入输入至操作执行装置，实现对海洋机器人的控制。

43、根据本公开的第三方面，提供了一种电子设备，包括：

44、至少一个处理器；以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行本公开所述的方法。

45、根据本公开的第四方面，提供了一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，所述计算机指令用于使所述计算机执行本公开所述的方法。

46、本公开的海洋机器人控制方法，通过基于海洋机器人的实际状态、系统输入和系统输入增益系数估计值，确定海洋机器人系统状态的估计值、海洋机器人系统状态导数的估计值，以及海洋机器人系统集总扰动的估计值；根据海洋机器人系统状态导数的估计值、海洋机器人系统集总扰动的估计值，以及系统输入，通过动态线性化算法对系统输入增益系数进行估计，得到系统输入增益系数估计值；根据海洋机器人的期望状态和海洋机器人系统状态的估计值，确定第一状态误差，将所述第一状态误差输入至运动控制器，获取运动控制器输出；基于所述运动控制器输出、海洋机器人系统集总扰动的估计值和系统输入增益系数估计值，计算得到系统输入；将所述系统输入输入至操作执行装置，实现对海洋机器人的控制；如此，可以结合扩张状态观测器可以实现对外界环境干扰的有效补偿的数据驱动扩张状态观测器，解决了扩张状态观测器需要已知系统输入增益系数的问题。同时，本公开实施例提供的海洋机器人控制方法具备自适应能力强、控制方法简单、易工程实现等综合性技术优势。

47、应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本公开的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

技术特征：

1.一种海洋机器人控制方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述系统输入输入至操作执行装置，实现对海洋机器人的控制之后，所述方法还包括：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据海洋机器人系统状态导数的估计值、海洋机器人系统集总扰动的估计值，以及系统输入，通过动态线性化算法对系统输入增益系数进行估计，得到系统输入增益系数估计值，包括：

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据海洋机器人系统状态导数的估计值、海洋机器人系统集总扰动的估计值，以及系统输入，通过动态线性化算法对系统输入增益系数进行估计，得到系统输入增益系数估计值，包括：

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据海洋机器人的期望状态和海洋机器人系统状态的估计值，确定第一状态误差，将所述第一状态误差输入至运动控制器，获取运动控制器输出，包括：

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述运动控制器输出、海洋机器人系统集总扰动的估计值和系统输入增益系数估计值，计算得到系统输入，包括：

7.一种海洋机器人控制系统，其特征在于，所述控制系统包括主控计算机、状态传感器、操作执行装置和电源系统；所述主控计算机包括运动控制器和数据驱动扩张状态观测器，所述数据驱动扩张状态观测器中包括扩张状态观测器；所述控制系统用于海洋机器人艏向运动控制和/或海洋机器人航速运动控制；

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述装置还包括状态传感器；

9.一种电子设备，其特征在于，包括：

10.一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机指令用于使计算机执行根据权利要求1-6中任一项所述的方法。

技术总结
本公开提供了一种海洋机器人控制方法、装置、电子设备及存储介质，将扩张状态观测器与动态线性化理论相结合，通过对扩张状态观测器中需精确已知的输入增益系数采用动态线性化方法进行实时估计，设计了数据驱动扩张状态观测器，在仅使用系统输入输出信息的情况下可以实现系统状态信息与集总扰动观测，并将数据驱动扩张状态观测器应用于海洋机器人控制系统中。本公开提出的数据驱动扩张状态观测器，实现了海洋机器人集总扰动的观测与系统输入增益系数的自适应估计，解决了传统扩张状态观测器需已知系统模型信息的问题，提高了海洋机器人控制系统的普适性。

技术研发人员：张拓圣,廖煜雷,魏天宇,万磊,李志超,卫天蛟,刘咏璐,李飞,史健
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学三亚南海创新发展基地
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23