绳驱动船舱清洗机器人动力学建模及鲁棒控制

作     者：李建 王生海 刘将 高钰富 韩广冬 孙玉清 LI Jian;WANG Shenghai;LIU Jiang;GAO Yufu;HAN Guangdong;SUN Yuqing

作者机构：大连海事大学轮机工程学院大连116026 大连海事大学科学技术部海底工程技术与装备国际联合研究中心大连116026 

出 版 物：《清华大学学报（自然科学版）》 (Journal of Tsinghua University(Science and Technology))

年 卷 期：2024年第64卷第3期

页      面：562-577页

核心收录：

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 

基　　金：国家重点研发计划项目(2018YFC0309003) 国家自然科学基金资助项目(52101396) 中央高校基本科研业务费专项资金项目(3132022207) 

主　　题：绳驱动并联机器人 动力学模型 滑模控制 轨迹跟踪 稳定性 

摘      要：由于船体表面形状不规则及海浪激励引起船舶运动,因此船舶清洗作业成为难点。为实现船舶高效、自动化清洗作业,该文提出一种变结构空间绳驱动清洗机器人。首先,采用Newton-Euler法建立包含船舶运动及多种外部扰动的动力学模型。通过流体仿真试验验证了水射流可喷射至作业面,并得到水枪反作用力。其次,考虑到海风对清洗作业的影响,采用风压投影法计算得到风扰力,并将风扰力与水枪反作用力共同作为扰动输入。再次,在动力学模型的基础上,为实现动基座激励下的高精度轨迹跟踪控制,提出了一种模糊自适应比例-积分(proportional-integral, PI)滑模控制器(fuzzy adaptive PI sliding mode controller, FAPI-SMC)。最后,采用Lyapunov理论证明了控制系统稳定,并通过仿真试验验证了FAPI-SMC有效。结果表明:在不同形式的波浪激励和作业场景下,FAPI-SMC的位置稳态误差为±0.02 m,角度稳态误差为±0.02°。与传统的比例-积分-微分(proportional-integral-derivative, PID)控制器相比,FAPI-SMC的最大误差减少6%,响应速度提升57%,稳态性能提升3%。该研究成果可为绳驱动机构的实船应用提供理论依据。