基于扰动观测器的预设性能海底飞行节点轨迹跟踪控制方法技术

基于扰动观测器的预设性能海底飞行节点轨迹跟踪控制方法，本发明专利技术涉及预设性能海底飞行节点轨迹跟踪控制方法。本发明专利技术为了解决现有方法没有考虑建模不确定性以及海洋环境扰动与推进器故障对OBFN的影响的问题。本发明专利技术包括：一：建立Fossen大纲六自由度非线性动力学模型；二：对步骤一建立的非线性动力学模型进行OBFN的动力学模型变换，得到OBFN的动力学模型，根据OBFN的动力学模型确定OBFN的跟踪误差方程；三：建立性能函数；四：将步骤三的跟踪误差进行误差变换，得到变换后的误差；五：根据步骤四得到的变换后的误差，设计OBFN系统总不确定性观测器与预设性能轨迹跟踪控制器。本发明专利技术用于轨迹跟踪控制领域。

【技术实现步骤摘要】
基于扰动观测器的预设性能海底飞行节点轨迹跟踪控制方法
本专利技术涉及预设性能海底飞行节点轨迹跟踪控制方法。
技术介绍
随着材料、能源、自动控制等领域的技术进步，自主式水下航行器(Autonomousunderwatervehicle，AUV)正逐渐向模块化、多功能和高可靠性的方向发展，进而衍生出各种海洋作业应用。例如海底管道的检修、海洋环境特征参数的采集、海底油气资源勘探等等。海底飞行节点(Oceanbottomflyingnode，OBFN)是将当前海底节点地震勘探技术(Oceanbottomnode，OBN)与AUV相结合的产物，如图1—图3所示。OBFN由母船释放后自主航行至海底指定位置，可长期坐底采集海底地震数据，用于海洋油气资源勘探。为了达到海底石油勘探所需的精确度，通常需要数以千计的OBFN自主布放在海底指定位置，因此，不仅需要克服复杂海洋环境造成扰动，跟踪期望的轨迹完成部署，还需要控制轨迹跟踪误差的收敛过程，避免在大规模部署中出现OBFN之间相互碰撞等情况。建模不确定性、复杂海洋环境的扰动与推进器故障是影响AUV控制常见的因素。常见的研究思路是假设AUV在工作过程中不出本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于扰动观测器的预设性能海底飞行节点轨迹跟踪控制方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：步骤一：建立Fossen大纲六自由度非线性动力学模型；步骤二：对步骤一建立的Fossen大纲六自由度非线性动力学模型进行OBFN的动力学模型变换，得到OBFN的动力学模型，根据OBFN的动力学模型确定OBFN的跟踪误差方程；所述OBFN为海底飞行节点；所述OBFN的动力学模型为：

【技术特征摘要】
1.基于扰动观测器的预设性能海底飞行节点轨迹跟踪控制方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：步骤一：建立Fossen大纲六自由度非线性动力学模型；步骤二：对步骤一建立的Fossen大纲六自由度非线性动力学模型进行OBFN的动力学模型变换，得到OBFN的动力学模型，根据OBFN的动力学模型确定OBFN的跟踪误差方程；所述OBFN为海底飞行节点；所述OBFN的动力学模型为：其中为v的一阶导数，M-1为M的逆，M为质量惯性矩阵，B0代表OBFN推力分配矩阵B的标称值，u代表OBFN推进器的控制输出，Cv0代表Cv的标称值，Cv为OBFN的科氏力和向心力矩阵，Dv0代表Dv的标称值，Dv为OBFN的水动力阻尼矩阵，gη0代表gη的标称值，gη为OBFN重力和浮力产生的力和力矩向量，v＝[u′,a,w,p,q,r]T表示OBFN在运动坐标系下的速度与角速度，u′为OBFN在运动坐标系下纵荡速度，a为OBFN在运动坐标系下横荡速度，w为OBFN在运动坐标系下垂荡速度，p为OBFN在运动坐标系下横倾角速度，q为OBFN在运动坐标系下纵倾角速度，r为OBFN在运动坐标系下摇首角速度，T为转置；F表示系统的总不确定度；步骤三：建立性能函数，利用性能函数将跟踪误差表示为：其中ei(t)为OBFN位置与姿态角误差，i＝1,2,3,4,5,6；ei(0)为初始时间OBFN位置与姿态角误差，ρi(t)为为第i个自由度的性能函数，δi为辅助变量，满足0≤δi≤1；步骤四：将步骤三的跟踪误差进行误差变换，得到变换后的误差s；步骤五：根据步骤四得到的变换后的误差s，设计OBFN系统总不确定性观测器与预设性能轨迹跟踪控制器。2.根据权利要求1所述基于扰动观测器的预设性能海底飞行节点轨迹跟踪控制方法，其特征在于：所述步骤一中建立Fossen大纲六自由度非线性动力学模型的具体过程为：运动坐标系的原点G取在OBFN的重心处，x轴、y轴和z轴分别为经过原点的水线面、横剖面和中纵剖面的交线；固定坐标系的原点E选在海面的某一点，Eξ轴和Eη轴置于水平面内且互相垂直，Eξ轴正向指向正北方向，Eζ垂直于Eξη平面，正向指向地心；Fossen大纲六自由度非线性动力学模型：式中η＝[x,y,z,φ,θ,ψ]T表示OBFN在固定坐标系下的六自由度位置与姿态，式中：x为OBFN固定坐标系下Eξ轴方向位移，y为OBFN在固定坐标系下Eη轴方向位移，z为OBFN在固定坐标系下Eζ轴方向位移，φ为OBFN在固定坐标系下横倾角度，θ为OBFN在固定坐标系下纵倾角度，ψ为OBFN在固定坐标系下摇首角度；J(η)是固定坐标系与运动坐标系之间的转换矩阵，τ为OBFN推进系统产生的控制力和力矩，为v的一阶导数。3.根据权利要求2所述基于扰动观测器的预设性能海底飞行节点轨迹跟踪控制方法，其特征在于：所述步骤二中对步骤一建立的Fossen大纲六自由度非线性动力学模型进行OBFN的动力学模型变换，得到OBFN的动力学模型，根据OBFN的动力学模型确定OBFN的跟踪误差方程的具体过程为：OBFN的推进器的故障影响采用推力分配矩阵形式表示，定义为ΔB；实际的控制力与力矩改写为τ+Δτ：τ+Δτ＝(B0-KB)u＝(B0+ΔB)u(5)式中B为OBFN的推力分配矩阵，τ为OBFN的推进器的实际的控制力，Δτ是推进器故障对推进器推力的影响值，K是一个对角矩阵，其元素kii∈[0,1]，表示相应的推进器故障程度，其中1代表故障程度最高，推进器完全失效，u是OBFN的推进器的控制输入，B0为OBFN的推力分配矩阵的标称值；等式(4)改写为公式(1)的形式；系统的总不确定度F的表达式如下：式中：表示海流扰动对OBFN的干扰...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦洪德，孙延超，吴哲远，陈辉，李骋鹏，杜雨桐，
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