本技術(shù)實(shí)施例涉及海洋機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，尤其涉及一種海洋機(jī)器人用位置型緊格式無(wú)模型自適應(yīng)艏向控制方法及裝置、電子設(shè)備、存儲(chǔ)介質(zhì)。

背景技術(shù)：

1、海洋機(jī)器人包括無(wú)人水面艇、無(wú)人潛航器以及其他海洋無(wú)人系統(tǒng)。在海洋機(jī)器人作業(yè)過(guò)程中，艏向控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型隨海洋機(jī)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(jì)的控制方法往往無(wú)法取得較好效果。另一方面，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)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(qiáng)化學(xué)習(xí)控制方法則需要訓(xùn)練過(guò)程且計(jì)算量較大。

2、無(wú)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(wú)法適用于艏向控制系統(tǒng)，其主要原因?yàn)椋海?）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(shí)艏向角未必增加；（2）非自衡特性：系統(tǒng)對(duì)每一次輸入都進(jìn)行了積分，表現(xiàn)為一個(gè)快速擴(kuò)張的過(guò)程，與mfac系統(tǒng)輸入/輸出數(shù)據(jù)模型辨識(shí)的慢變過(guò)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(jì)的普通mfac難以避免系統(tǒng)輸出振蕩發(fā)散問(wèn)題。

4、現(xiàn)有的海洋機(jī)器人mfac艏向控制方法試圖通過(guò)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(wèn)題。但是當(dāng)增益過(guò)小時(shí)，控制器接近普通的mfac算法，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)輸出振蕩問(wèn)題；當(dāng)增益過(guò)大時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)速度將大幅降低，因此對(duì)于一些轉(zhuǎn)向速度較慢的大型海洋機(jī)器人難以適用?，F(xiàn)有技術(shù)也試圖通過(guò)限制艏向角變化來(lái)抑制振蕩問(wèn)題，雖然可以抑制系統(tǒng)輸出振蕩問(wèn)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(huì)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(wú)模型自適應(yīng)控制方法依然與海洋機(jī)器人艏向控制系統(tǒng)不契合。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本技術(shù)實(shí)施例提供一種海洋機(jī)器人用位置型緊格式無(wú)模型自適應(yīng)艏向控制方法及裝置、電子設(shè)備、存儲(chǔ)介質(zhì)，解決了將無(wú)模型自適應(yīng)控制方法直接應(yīng)用于海洋機(jī)器人艏向控制系統(tǒng)時(shí)所產(chǎn)生的系統(tǒng)輸出振蕩發(fā)散問(wèn)題。

2、根據(jù)本技術(shù)實(shí)施例的第一方面，提供一種海洋機(jī)器人艏向控制方法，其特征在于，所述方法包括：

3、對(duì)海洋機(jī)器人艏向控制系統(tǒng)構(gòu)建位置型緊格式動(dòng)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(zhǔn)則函數(shù)，根據(jù)所述自適應(yīng)控制輸入解算準(zhǔn)則函數(shù)確定位置型緊格式無(wú)模型自適應(yīng)控制律；

5、根據(jù)海洋機(jī)器人艏向控制系統(tǒng)的歷史輸入輸出信息，估算當(dāng)前時(shí)刻的數(shù)據(jù)模型參數(shù)，確定偽偏導(dǎo)估計(jì)值；

6、根據(jù)所述偽偏導(dǎo)估計(jì)值和位置型緊格式無(wú)模型自適應(yīng)控制律，計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的海洋機(jī)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(duì)海洋機(jī)器人進(jìn)行艏向控制。

8、在一些示例性的實(shí)施例中，所述方法還包括：判斷海洋機(jī)器人艏向偏差是否小于預(yù)設(shè)閾值，當(dāng)海洋機(jī)器人艏向偏差不小于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，重新估算當(dāng)前時(shí)刻的數(shù)據(jù)模型參數(shù)，確定偽偏導(dǎo)估計(jì)值。

9、在一些示例性的實(shí)施例中，所述對(duì)海洋機(jī)器人艏向控制系統(tǒng)構(gòu)建位置型緊格式動(dòng)態(tài)輸入/輸出數(shù)據(jù)模型包括：

10、構(gòu)建時(shí)刻的艏向控制系統(tǒng)輸出信息、時(shí)刻的艏向控制系統(tǒng)輸入信息、時(shí)刻被稱為偽偏導(dǎo)的模型參數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；

11、所述位置型緊格式動(dòng)態(tài)輸入/輸出數(shù)據(jù)模型為：

12、；

13、其中和分別為時(shí)刻和時(shí)刻的艏向控制系統(tǒng)輸出信息，為時(shí)刻的艏向控制系統(tǒng)輸入信息，是時(shí)刻被稱為偽偏導(dǎo)的模型參數(shù)，的正負(fù)號(hào)保持不變。

14、在一些示例性的實(shí)施例中，確定自適應(yīng)控制輸入解算準(zhǔn)則函數(shù)包括：

15、根據(jù)時(shí)刻的海洋機(jī)器人艏向控制系統(tǒng)的輸入信息、時(shí)刻的海洋機(jī)器人艏向控制系統(tǒng)的輸出信息、時(shí)刻的期望艏向角、輸入項(xiàng)限制系數(shù)、時(shí)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(zhǔn)則函數(shù)；

16、所述自適應(yīng)控制輸入解算準(zhǔn)則函數(shù)為：

17、；

18、其中，為時(shí)刻的海洋機(jī)器人艏向控制系統(tǒng)的輸入信息，為時(shí)刻的海洋機(jī)器人艏向控制系統(tǒng)的輸出信息，為時(shí)刻的期望艏向角，為輸入項(xiàng)限制系數(shù)，是時(shí)刻被稱為偽偏導(dǎo)的模型參數(shù)。

19、在一些示例性的實(shí)施例中，所述根據(jù)所述自適應(yīng)控制輸入解算準(zhǔn)則函數(shù)確定位置型緊格式無(wú)模型自適應(yīng)控制律包括：

20、將位置型緊格式動(dòng)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(zhǔn)則函數(shù)中，并令，確定位置型緊格式無(wú)模型自適應(yīng)控制律：

21、；

22、其中，偽偏導(dǎo)估計(jì)為模型參數(shù)的估計(jì)值，為輸入項(xiàng)限制系數(shù)，為時(shí)刻的期望艏向角，為引入的步長(zhǎng)因子。

23、在一些示例性的實(shí)施例中，所述海洋機(jī)器人艏向控制系統(tǒng)的歷史輸入輸出信息包括：

24、時(shí)刻的輸入信息、時(shí)刻的輸出信息、時(shí)刻的輸出信息以及時(shí)刻的偽偏導(dǎo)估計(jì)值。

25、在一些示例性的實(shí)施例中，根據(jù)海洋機(jī)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(shí)刻的數(shù)據(jù)模型參數(shù)當(dāng)前時(shí)刻的數(shù)據(jù)模型參數(shù)：

26、；

27、其中為時(shí)刻的偽偏導(dǎo)估計(jì)，為引入的步長(zhǎng)因子，為限制偽偏導(dǎo)估計(jì)變化的權(quán)重系數(shù)，。

28、在一些示例性的實(shí)施例中，所述確定偽偏導(dǎo)估計(jì)值包括：

29、引入偽偏導(dǎo)估計(jì)重置機(jī)制，當(dāng)、時(shí)，則令；其中，為正數(shù)且數(shù)值極小，為初始偽偏導(dǎo)估計(jì)。

30、在一些示例性的實(shí)施例中，所述判斷海洋機(jī)器人艏向偏差是否小于預(yù)設(shè)閾值包括：

31、計(jì)算海洋機(jī)器人在當(dāng)前時(shí)刻的期望艏向角與實(shí)際艏向角之間的差值；

32、判斷的絕對(duì)值是否小于預(yù)設(shè)的偏差閾值。

33、根據(jù)本技術(shù)實(shí)施例的第二方面，提供一種海洋機(jī)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(duì)海洋機(jī)器人艏向控制系統(tǒng)構(gòu)建位置型緊格式動(dòng)態(tài)輸入/輸出數(shù)據(jù)模型；

35、函數(shù)設(shè)計(jì)單元，用于確定自適應(yīng)控制輸入解算準(zhǔn)則函數(shù)，根據(jù)所述自適應(yīng)控制輸入解算準(zhǔn)則函數(shù)確定位置型緊格式無(wú)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(jī)器人艏向控制系統(tǒng)的歷史輸入輸出信息，估算當(dāng)前時(shí)刻的數(shù)據(jù)模型參數(shù)，確定偽偏導(dǎo)估計(jì)值；

37、信息計(jì)算單元，用于根據(jù)所述偽偏導(dǎo)估計(jì)值和位置型緊格式無(wú)模型自適應(yīng)控制律，計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的海洋機(jī)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(duì)海洋機(jī)器人進(jìn)行艏向控制。

39、偏差判斷單元，用判斷海洋機(jī)器人艏向偏差是否小于預(yù)設(shè)閾值，當(dāng)海洋機(jī)器人艏向偏差不小于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，重新估算當(dāng)前時(shí)刻的數(shù)據(jù)模型參數(shù)，確定偽偏導(dǎo)估計(jì)值。

40、根據(jù)本技術(shù)實(shí)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(chǔ)處理器可執(zhí)行指令的存儲(chǔ)器，其特征在于，所述處理器被配置為在調(diào)用存儲(chǔ)器中的可執(zhí)行指令時(shí)，能夠執(zhí)行上述的海洋機(jī)器人用位置型緊格式無(wú)模型自適應(yīng)艏向控制方法的步驟。

41、根據(jù)本技術(shù)實(shí)施例的第四方面，提供一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其特征在于，所述計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)內(nèi)存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)上述的海洋機(jī)器人用位置型緊格式無(wú)模型自適應(yīng)艏向控制方法的步驟。

42、本技術(shù)實(shí)施例的海洋機(jī)器人用位置型緊格式無(wú)模型自適應(yīng)艏向控制方法，將原緊格式無(wú)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(jìn)為位置型輸入/輸出數(shù)據(jù)模型，進(jìn)而改進(jìn)控制輸入解算準(zhǔn)則函數(shù)與偽偏導(dǎo)估計(jì)算法，提出海洋機(jī)器人用位置型緊格式無(wú)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(wú)模型自適應(yīng)控制方法無(wú)法直接應(yīng)用于海洋機(jī)器人艏向控制系統(tǒng)的問(wèn)題。