一种过驱动AUV执行机构切换控制方法技术

本发明专利技术提供一种过驱动AUV执行机构切换控制方法，包括：建立AUV垂直面动力学方程、运动状态空间模型；低速时执行机构采用主推和垂直槽道推进器，高速时采用主推和舵翼；在高低速切换点处设定一个过渡区域，在过渡区域内，通过对执行机构定义一个软约束，使垂直槽道推进器和舵翼在此区间内平缓变化，并保持纵倾角不变；采用模型预测控制方法，根据控制指令解算出主推推力、垂推推力和舵角；将控制输入带入模型得到AUV位姿信息。本发明专利技术能够避免由突然切换AUV执行机构引起的速度以及纵倾产生的较大幅度的抖动，减小控制出现的振荡幅度，保证AUV在切换执行机构的同时保持运动状态的平滑过渡，而对于纵倾的控制可以保证AUV在切换过程中的作业能力不受影响。

【技术实现步骤摘要】
一种过驱动AUV执行机构切换控制方法
本专利技术涉及一种过驱动AUV执行机构切换控制方法，属于AUV运动控制领域。
技术介绍
由于海洋资源的探测开发的需要，国内外对AUV技术日益重视。由于AUV在执行不同任务时，对于机器人本身的速度有一定要求，如果需要在不同任务之间转换工作状态，那么就必然会发生高低速之间的切换。因为在低速时推力器效率高，舵效率低，而在高速时，推力器效率下降，舵效率增加，不少AUV尤其是高速运动AUV都采用舵翼和推进器混合控制。一般情况下AUV在低速时采用垂直槽道推力器控制升沉与纵倾，在高速时改用舵翼控制升沉与纵倾的执行机构配置方式。这就存在一个控制方式的切换，若在某一航速，立即关掉推力器，开启舵，由于控制指令的突变，控制会出现一段时间的振荡，速度和纵倾都会出现一定的抖动，纵倾角的变化使得AUV在此过程中作业难度增加。文献[1]将控制输出设为一个线性函数，而控制器输入由TS形式的FLC给出，以采用平滑函数的VSC控制律设计了一个模糊逻辑控制器，形成了带有平滑函数的模糊控制器的方法。相比于PID控制，该方法减少了超调，增强了AUV控制的鲁棒性。文献[2]研究了在AUV路径跟踪过程中，针对AUV由全驱动切换为欠驱动时漂角抖动幅度较大的问题，采用了三角函数形式的平滑函数对横移的控制输入进行了约束。仿真结果表明，该方法减小了漂角抖动的最大值，但最小值的绝对值有所增加。文献[3]针对AUV舵桨联合操纵过程中执行器切换控制时容易造成输出突变的问题，提出了一种切换函数进行平滑切换以达到消除突变的目的。相关文献表明，在现有技术中，未见效果较好的，能在AUV切换执行机构过程中既能保证切换的平滑过渡，又能使AUV纵倾角不做大幅度改变的方法。本专利技术参考的资料如下：[1]WangY,ShenY,WangK,etal.Fuzzycontrollerusedsmoothingfunctionfordepthcontrolofautonomousunderwatervehicle[C]//Oceans.IEEE,2016:1-5.[2]XiangX,LapierreL,JouvencelB.SmoothtransitionofAUVmotioncontrol:Fromfully-actuatedtounder-actuatedconfiguration[J].Robotics&AutonomousSystems,2015,67:14-22.[3]张磊,庞永杰,李晔,等.舵桨联合操纵的自主式水下机器人运动控制[J].北京工业大学学报,2011,37(1):40-46.
技术实现思路
本专利技术的目的是为了提供一种过驱动AUV执行机构切换控制方法，能够使过驱动AUV执行机构切换时保持运动状态的平滑过渡。本专利技术的目的是这样实现的：步骤1：根据AUV的水动力系数，建立AUV相对于随体坐标系的进退、升沉、俯仰的运动方程；步骤2：找到主要状态变量，由进退、升沉、俯仰的运动学方程和动力学方程推导成为状态空间模型，并且根据控制器的采样速率将状态空间模型离散化得到增广状态空间模型；步骤3：根据增广状态空间模型定义二次项形式的代价函数，代价函数是控制器设定值和未来系统轨迹之间的误差与控制输入未来变化幅度之和；步骤4：分别设定高速与低速的速度区间，并在分界处设定过渡速度区间，将高速时的执行机构设为主推和舵翼，将低速时的执行机构设为主推和垂推，过渡区域执行机构设为主推、垂推和舵翼，在过渡区域为舵翼角度和垂推推力设定一个软约束，使推力和舵角在过渡区间内平滑过渡；步骤5：使代价函数最小化解得控制输入并作用在系统上，得到的AUV的速度、纵倾、深度信息；步骤6：步骤5得到的位姿信息作为反馈，判断是否满足控制指令：若满足，控制结束；若不满足，将位姿信息提供给状态空间模型和代价函数，得到预测轨迹，执行步骤5，直至当前控制结束。本专利技术还包括这样一些结构特征：1.步骤1具体为：AUV相对于随体坐标系的进退，升沉、俯仰的运动学方程是：动力学方程是：其中：x和z分别是大地坐标系下的纵向速度和垂向速度，θ是AUV的纵倾角，m是AUV的质量，Iy是艇体对于y轴的惯性矩；Xλ、Zλ、Xf、Zf是由u、w速度项引起的流体惯性力项与拖曳力项，Xr与Zr是舵翼产生的拖曳力；Mq、Mh项是AUV水动力产生的旋转力矩与艇体力矩，Mr是舵翼产生的力矩；Xp、ZTf、ZTr项是尾部主推进器、首尾垂直槽道推进器推力；LTf、LTr是首尾垂直槽道推进器推力的力臂；G、▽代表艇体的重力与排水体积；g代表重力加速度；Δz代表他们的中心到Z轴的距离。2.步骤2中，状态空间模型为：其中：ρ是水的密度，带角标各项α和β分别是测得的与水动力相关的常数，δ为舵角；将状态空间模型简化为：其中：将状态空间模型离散化得到增广状态模型：其中，I为单位矩阵。3.步骤3中：二次项形式的代价函数由增广状态空间模型定义，对于一个给定的预设值r(ki)，在样本时间ki内，在预测空间内,预测控制系统的目标，是将预测的输出端尽可能接近预设值，假设预设值在优化窗口中保持不变，NP与Nc分别为预测步长与控制步长，则以NP为长度的，包含预设值的矢量为：定义代价函数J以反映控制目标：式中：U是控制输出，是一个对角矩阵，rw≥0，rw是惩罚因子。4.步骤4中，考虑到死区和电机转速的限制，对主推推力加以约束：Xmin≤Xp≤XmaxΔXmin≤ΔXp≤ΔXmax对垂推推力的约束：Tmin≤Tp≤TmaxΔTmin≤ΔTp≤ΔTmax对舵角的约束：δmin≤δp≤δmaxΔδmin≤Δδp≤Δδmax预测输出得到的方法是，利用增广状态空间模型得到预测状态变量：x(ki+2|ki)＝Ax(ki+1|ki)+BΔu(ki+1)＝A2x(ki)+ABΔu(ki)+BΔu(ki+1)其中，从预测状态变量得到预测输出为：y(ki+1|ki)＝CAx(ki)+CBΔu(ki)y(ki+2|ki)＝CA2x(ki)+CABΔu(ki)+CBΔu(ki+1)y(ki+3|ki)＝CA3x(ki)+CA2BΔu(ki)+CABΔu(ki+1)+CBΔu(ki+2)其中，C＝[0mI]。定义向量：Y＝[y(ki+1|ki)y(ki+2|ki)y(ki+3|ki)...y(ki+Np|ki)]TY表示状态输出，且未来的控制域ΔU，长度为NC，表示为：ΔU＝[Δu(ki)Δu(ki+1)Δu(ki+2)...Δu(ki+Nc-1)]T可得：其中：5.步骤5中，为了找到最佳的ΔU使J最小化，将状态输出：带入代价函数则J为:函数J的一阶导数为：使J最小化的条件变为：与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1、本专利技术采用采用模型预测控制方法，根据控制指令解算出主推推力、垂推推力和舵角能自然的处理好多输入多输出(MIMO)控制对象，可以比传统一些控制的方法更好地控制AUV。设计过程中约束可以被系统地纳入，这与传统的控制方法不同，因此该方法不受潜器物理条件的限制。并且MPC有预测的功能，可对未来误差进行预测。因此本专利技术具有适用性广，控制精度高的优点。2、本专利技术在高低速切换点处设定一个过渡区域，在过渡区域内，通过对执行机构定义一个软约束，保证纵倾不变的同时，使本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种过驱动AUV执行机构切换控制方法，其特征在于：步骤如下：步骤1：根据AUV的水动力系数，建立AUV相对于随体坐标系的进退、升沉、俯仰的运动方程；步骤2：找到主要状态变量，由进退、升沉、俯仰的运动学方程和动力学方程推导成为状态空间模型，并且根据控制器的采样速率将状态空间模型离散化得到增广状态空间模型；步骤3：根据增广状态空间模型定义二次项形式的代价函数，代价函数是控制器设定值和未来系统轨迹之间的误差与控制输入未来变化幅度之和；步骤4：分别设定高速与低速的速度区间，并在分界处设定过渡速度区间，将高速时的执行机构设为主推和舵翼，将低速时的执行机构设为主推和垂推，过渡区域执行机构设为主推、垂推和舵翼，在过渡区域为舵翼角度和垂推推力设定一个软约束，使推力和舵角在过渡区间内平滑过渡；步骤5：使代价函数最小化解得控制输入并作用在系统上，得到的AUV的速度、纵倾、深度信息；步骤6：步骤5得到的位姿信息作为反馈，判断是否满足控制指令：若满足，控制结束；若不满足，将位姿信息提供给状态空间模型和代价函数，得到预测轨迹，执行步骤5，直至满足控制指令。

【技术特征摘要】
1.一种过驱动AUV执行机构切换控制方法，其特征在于：步骤如下：步骤1：根据AUV的水动力系数，建立AUV相对于随体坐标系的进退、升沉、俯仰的运动方程；步骤2：找到主要状态变量，由进退、升沉、俯仰的运动学方程和动力学方程推导成为状态空间模型，并且根据控制器的采样速率将状态空间模型离散化得到增广状态空间模型；步骤3：根据增广状态空间模型定义二次项形式的代价函数，代价函数是控制器设定值和未来系统轨迹之间的误差与控制输入未来变化幅度之和；步骤4：分别设定高速与低速的速度区间，并在分界处设定过渡速度区间，将高速时的执行机构设为主推和舵翼，将低速时的执行机构设为主推和垂推，过渡区域执行机构设为主推、垂推和舵翼，在过渡区域为舵翼角度和垂推推力设定一个软约束，使推力和舵角在过渡区间内平滑过渡；步骤5：使代价函数最小化解得控制输入并作用在系统上，得到的AUV的速度、纵倾、深度信息；步骤6：步骤5得到的位姿信息作为反馈，判断是否满足控制指令：若满足，控制结束；若不满足，将位姿信息提供给状态空间模型和代价函数，得到预测轨迹，执行步骤5，直至满足控制指令。2.根据权利要求1所述的一种过驱动AUV执行机构切换控制方法，其特征在于：步骤1具体为：AUV相对于随体坐标系的进退，升沉、俯仰的运动学方程是：动力学方程是：其中：x和z分别是大地坐标系下的纵向速度和垂向速度，θ是AUV的纵倾角，m是AUV的质量，Iy是艇体对于y轴的惯性矩；Xλ、Zλ、Xf、Zf是由u、w速度项引起的流体惯性力项与拖曳力项，Xr与Zr是舵翼产生的拖曳力；Mq、Mh项是AUV水动力产生的旋转力矩与艇体力矩，Mr是舵翼产生的力矩；Xp、ZTf、ZTr项是尾部主推进器、首尾垂直槽道推进器推力；LTf、LTr是首尾垂直槽道推进器推力的力臂；G、▽代表艇体的重力与排水体积；g代表重力加速度；Δz代表他们的中心到Z轴的距离。3.根据权利要求2所述的一种过驱动AUV执行机构切换控制方法，其特征在于：步骤2中，状态空间模型为：其中：ρ是水的密度，带角标各项α和β分别是测得的与水动力相关的常数，δ为舵角；将状态...

【专利技术属性】
技术研发人员：张铁栋，刘超，邢炜，张韧然，辛坚，刘自豪，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23