[论文解读] A Robust Force Control Approach for Underwater Vehicle Manipulator Systems

Shahab Heshmati-Alamdari, Alexandros Nikou+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2016

Underwater Vehicles and Communication Systems参考文献 18被引用 3

一句话总结

本文提出了一种无需模型的、鲁棒的水下机器人机械手系统（UVMS）力控制方案，该方案在无需了解系统动力学、干扰或传感器噪声的情况下，确保预设的瞬态和稳态性能。该方法利用设计者定义的性能函数，将控制行为与模型不确定性解耦，在模拟中实现了低超调量和在外部干扰与测量噪声下的有界误差。

ABSTRACT

In various interaction tasks using Underwater Vehicle Manipulator Systems (UVMSs) (e.g. sampling of the sea organisms, underwater welding), important factors such as: i) uncertainties and complexity of UVMS dynamic model ii) external disturbances (e.g. sea currents and waves) iii) imperfection and noises of measuring sensors iv) steady state performance as well as v) inferior overshoot of interaction force error, should be addressed during the force control design. Motivated by the above factors, this paper presents a model-free control protocol for force controlling of an Underwater Vehicle Manipulator System which is in contact with a compliant environment, without incorporating any knowledge of the UVMS's dynamic model, exogenous disturbances and sensor's noise model. Moreover, the transient and steady state response as well as reduction of overshooting force error are solely determined by certain designer-specified performance functions and are fully decoupled by the UVMS's dynamic model, the control gain selection, as well as the initial conditions. Finally, a simulation study clarifies the proposed method and verifies its efficiency.

研究动机与目标

• 解决由于模型不确定性、外部干扰（如海流）和传感器噪声导致的UVMS力控制挑战。
• 克服现有力控制方案依赖精确动力学模型或假设已知干扰的局限性。
• 设计一种控制协议，无论系统动力学或初始条件如何，均能保证期望的瞬态和稳态性能。
• 确保在真实水下环境中对有界外部干扰和测量噪声具有鲁棒性。
• 开发一种低复杂度的控制律，适用于当前UVMS平台的实时实现。

提出的方法

• 采用两级控制结构：一级处理位置/力误差动力学，二级通过性能函数施加性能约束。
• 使用性能函数定义期望的超调量、收敛速率和稳态误差边界，将性能与控制增益和系统模型解耦。
• 设计一种静态控制律，根据误差及其性能函数导数计算控制输入，避免复杂的在线参数估计。
• 集成一种无需模型的方法，无需了解UVMS动力学、环境刚度或干扰模型。
• 采用基于李雅普诺夫的稳定性分析，证明在干扰和噪声下误差始终有界于预设性能边界内。
• 通过初始值和最终值边界（ρ⁰, ρ∞）及收敛速率（l）的性能函数参数化，显式塑造瞬态行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 UVMS的力控制方案是否能在不依赖动力学模型知识或干扰估计的情况下，实现期望的瞬态和稳态性能？
• RQ2 如何显式施加并解耦性能规范（如超调量和收敛速率）与控制增益选择及系统动力学的关系？
• RQ3 在水下环境中，有界外部干扰和测量噪声下，控制方案的鲁棒性可达到何种程度？
• RQ4 低复杂度、静态控制律是否能有效管理具有未知动力学和不确定环境交互的UVMS力控制？
• RQ5 与传统力控制相比，基于性能函数的方法在不确定性下误差边界和鲁棒性方面表现如何？

主要发现

• 实际力轨迹紧密跟随期望力轮廓，无超调，收敛至参考值时误差极小，如图3所示。
• 所有方向的位置和力跟踪误差均保持在预设性能边界内，如图4和图5所示。
• 在外部干扰（0.15sin(2πt/7)）和有界测量噪声下，系统保持稳定性能，表现出鲁棒性。
• 控制器实现了位置和速度误差的稳态误差边界ρ∞ = 0.2，初始误差边界ρ⁰ = 1，确保了预设的瞬态行为。
• 控制器表现出低计算复杂度，每次控制更新仅需少量计算，支持实时实现。
• 系统性能与控制增益和初始条件完全解耦，因为性能函数显式定义了期望行为。