球形水下机器人动力学与滑模转向控制研究

“球形水下机器人的动力学分析与滑模转向控制，刘家伦，张延恒，针对球形水下机器人进行了深入的研究，建立了包含惯性质量、附加质量、二次阻力、重力和浮力在内的动力学模型，并设计了一种基于指数趋近律的滑模转向控制器。” 球形水下机器人是一种特殊的机器人类型，因其独特的对称性外形，适用于在水下环境执行多种任务。这种机器人的设计和控制策略相比传统的水下机器人更具挑战性，因为它们需要应对更为复杂的力学效应。在本研究中，作者刘家伦和张延恒首先考虑了影响球形水下机器人运动的各种因素，包括惯性质量，这是物体抵抗改变运动状态的性质；附加质量，指的是机器人在水中运动时因周围流体的动态响应而产生的额外质量；二次阻力，是机器人在水中移动时由于速度平方导致的阻力；重力，是地球引力对机器人的作用力；以及浮力，由阿基米德原理决定，是水对浸没物体向上的支持力。 建立的动力学模型是理解球形水下机器人运动行为的基础，它能帮助研究人员预测和控制机器人的运动。在此模型的基础上，研究者采用了滑模控制理论，这是一种先进的控制策略，尤其适用于存在不确定性和干扰的系统。滑模控制的关键在于其具有鲁棒性，即使在系统参数变化或存在扰动的情况下，也能保证系统的稳定性和性能。 指数趋近律滑模控制原理是滑模控制的一种形式，它通过设计控制器使得系统状态能够以指数方式快速趋近于理想的滑动表面，从而实现精确的转向控制。对于球形水下机器人，这尤为重要，因为它需要在三维空间中灵活地改变方向。通过仿真，研究者评估了所设计的滑模控制器在水平面转向控制中的性能，并将结果与传统的PID（比例-积分-微分）控制算法进行了对比。仿真结果验证了滑模控制方法在实现有效转向控制方面的可行性和优越性。 关键词：球形水下机器人，动力学，滑模转向控制 这项研究不仅为球形水下机器人的控制理论提供了新的见解，还为实际应用中的水下机器人控制系统设计提供了理论基础和参考。未来的工作可能包括将该滑模控制策略扩展到更复杂的情况，如三维空间中的全方位控制，以及在实际水下环境中进行实验验证。