一种水下航行器姿态控制方法和系统技术方案

本申请提出一种水下航行器姿态控制方法和系统，所述方法包括：设置控制对象的控制目标的值；所述控制对象包括舵机，控制目标至少包括以下：俯仰角、横滚角和偏航角；获得所述控制目标的至少一个过渡信号；根据所述控制对象输出的第一姿态计算姿态估计值和扰动量估计值；所述控制对象输出的第一姿态包括所述控制对象输出的第一俯仰角、第一横滚角和第一偏航角；所述姿态估计值至少包括俯仰角估计值、横滚角估计值和偏航角估计值；计算所述过渡信号与所述姿态估计值的误差值，对所述误差值进行非线性误差反馈，得出第一控制量；根据所述扰动量的估计值对第一控制量进行补偿，获得第二控制量；根据所述第二控制量获得所述控制对象输出的第二姿态。输出的第二姿态。输出的第二姿态。

【技术实现步骤摘要】
一种水下航行器姿态控制方法和系统


[0001]本专利技术涉及水下航行器领域，尤其涉及水下航行器姿态控制方法和系统。

技术介绍

[0002]水下航行器的运动控制是完成海洋水文调查和近海巡航等任务的技术前提，欠驱动水下航行器具有成本低、体积小、重量轻、灵活性强、可靠度高等多方面优势，而其姿态控制则是运动控制的重要基础。由于海洋环境复杂多变，水下航行器运动过程中受海浪、海流及海底地形等因素干扰，导致水动力参数及相关非线性阻尼参数不确定，水下航行器的空间运动模型具有非线性、强耦合性且参数可变等特点，控制系统设计难度较高，对控制精度、性能稳定及鲁棒性等要求都很高。
[0003]随着水下航行器日益受到关注，近年来许多控制方法都应用到了水下航行器的运动控制中。
[0004]例如，一种模糊控制与滑模控制相结合的水下航行器的姿态控制器，抑制了控制器输出的抖振且具有鲁棒性，但该控制器的设计是基于水下航行器的航向系统动力学模型线性化处理，缺乏实际可行性。一种水下航行器的航向系统动力学模型提供了一种非线性全状态反馈律，实现了水下航行器的航向控制，但其未考虑模型的不确定性和外界干扰的影响。一种增益调参控制方法将水下航行器模型线性化处理，简化了控制器的设计，但该方法仅在操作点的较小领域内有效。一种反馈线性化方法是利用全状态反馈抵消水下航行器航向系统动力学模型中的非线性，使新航向系统的输入输出间具有线性关系，但是这种方法对研究对象的动力学模型具有较高的精度要求。一种基于神经网络方法的动态逆控制可以在水下航行器很难获得精确的动力学模型的情况下，采用神经网络进行系统辨识，但其计算复杂度高且收敛性很难得到保证。
[0005]上述方法的性能在很大程度上依赖于航向系统动力学模型的精度，但在实际的应用中，由于多种环境干扰很难获取准确的参数，模型的精度很难得到保证，性能的稳定性及鲁棒性难以满足控制要求。

技术实现思路

[0006]为了解决上述欠驱动水下航行器水下动力性能参数不确定和对外部干扰敏感，难以满足控制要求的问题，本申请的实施例提供了一种水下航行器姿态控制方法及装置。
[0007]第一方面，本申请的实施例提供一种水下航行器姿态控制方法，所述方法包括：设置控制对象的控制目标的值；所述控制对象包括舵机，所述控制目标至少包括以下之一：俯仰角、横滚角和偏航角；获得所述控制目标的至少一个过渡信号；根据所述控制对象输出的第一姿态计算姿态估计值和扰动量估计值；所述控制对象输出的第一姿态包括所述控制对象输出的第一俯仰角、第一横滚角和第一偏航角；所述姿态估计值至少包括俯仰角估计值、横滚角估计值和偏航角估计值；计算所述过渡信号与姿态估计值的误差值，对所述误差值进行非线性误差反馈，得出第一控制量；根据所述扰动量的估计值对第一控制量进行补偿，
获得第二控制量；根据所述第二控制量获得所述控制对象输出的第二姿态，所述控制对象输出的第二姿态包括所述控制对象输出的第二俯仰角、第二横滚角和第二偏航角。
[0008]在一种实施方式中，所述获得所述控制目标的至少一个过渡信号，包括：根据所述控制目标的值获得过渡信号和所述过渡信号的微分信号。
[0009]在一种实施方式中，所述根据所述控制对象输出的第一姿态计算姿态估计值和扰动量估计值，包括：根据所述过渡信号和所述过渡信号的微分信号获得所述控制对象输出的第一姿态；根据所述控制对象输出的第一姿态获得所述姿态的估计值和扰动量估计值；所述姿态的估计值包括第一估计值和第二估计值，所述第二估计值为所述第一估计值的微分值。
[0010]在一种实施方式中，所述计算所述过渡信号与姿态估计值的误差值，对所述误差值进行非线性误差反馈，得出第一控制量，包括：将所述过渡信号和所述第一估计值进行比较，得到第一误差值；将所述过渡信号的微分信号和所述第二估计值进行比较，得到第二误差值；对所述第一误差值和第二误差值进行非线性误差反馈，得出所述第一控制量；。
[0011]在一种实施方式中，所述根据所述扰动量来对第一控制量进行补偿，获得第二控制量，包括：将所述扰动量反馈到所述第一控制量，利用补偿系数对所述第一控制量进行补偿，输出第二控制量。
[0012]在一种实施方式中，所述第一控制量包括俯仰角的第一控制量、横滚角的第一控制量和偏航角第一控制量；所述第二控制量包括俯仰角的第二控制量、横滚角的第二控制量和偏航角第二控制量。
[0013]在一种实施方式中，在所述设置控制对象的控制目标的值之前，还包括：建立所述控制对象的地面坐标系和载体坐标系；确定所述控制对象在地面坐标系下的运动学模型；确定所述控制对象在所沪载体坐标系下水下航行器的姿态参数的模型；根据所述运动学模型和姿态参数的模型，确定所述水下航行器的动力学模型。
[0014]第二方面，本申请的实施例提供一种水下航行器姿态控制系统，所述装置包括：目标设置模块，用于根据水下航行器的动力学模型设置控制对象的控制目标；所述控制对象包括舵机，所述控制目标至少包括以下之一：俯仰角、横滚角和偏航角；跟踪微分器，用于获得所述控制目标的至少一个过渡信号；扩张状态观测器，用于根据所述控制对象输出的第一姿态计算姿态估计值和扰动量估计值；所述控制对象输出的第一姿态包括所述控制对象输出的第一俯仰角、第一横滚角和第一偏航角；所述姿态估计值至少包括俯仰角估计值、横滚角估计值和偏航角估计值；非线性误差反馈模块，用于计算所述过渡信号与姿态估计值的误差值，对所述误差值进行非线性误差反馈，得出第一控制量；扰动补偿模块，用于根据所述扰动量的估计值对所述第一控制量进行补偿，获得第二控制量；和控制对象，用于根据所述第二控制量获得所述控制对象输出的第二姿态，所述控制对象输出的第二姿态包括所述控制对象输出的第二俯仰角、第二横滚角和第二偏航角。
[0015]在一种实施方式中，所述舵机包括俯仰舵机、横滚舵机和偏航舵机。
[0016]本申请的实施例提出一种水下航行器姿态控制方法，基于自抗扰控制器(Active disturbance rejection control，ADRC)为期望姿态安排过渡过程，通过扩张状态观测器对内扰和外扰进行估计并实时补偿，实现了对横滚角俯仰角θ和偏航角ψ三通道姿态进行解耦，能够很好地克服水下航行器的强耦合性、水下动力性能参数不确定性以及水流变
化等外部干扰问题。
[0017]此外本申请的实施例提出一种水下航行器姿态控制系统，利用非线性状态误差反馈模块来有效抑制跟踪误差。对本申请实施例提供的水下航行器姿态控制系统进行稳定性控制、抗扰性及鲁棒性实验，与串级PID控制系统进行定量对比分析可知，本申请实施例提供的水下航行器姿态控制系统在稳定性、抗干扰性和鲁棒性方面具有明显的优势。
附图说明
[0018]为了更清楚地说明本说明书披露的多个实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书披露的多个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水下航行器姿态控制方法，其特征在于，所述方法包括：设置控制对象的控制目标的值；所述控制对象包括舵机，所述控制目标至少包括以下之一：俯仰角、横滚角和偏航角；获得所述控制目标的至少一个过渡信号；根据所述控制对象输出的第一姿态计算姿态估计值和扰动量估计值；所述控制对象输出的第一姿态包括所述控制对象输出的第一俯仰角、第一横滚角和第一偏航角；所述姿态估计值至少包括俯仰角估计值、横滚角估计值和偏航角估计值；计算所述过渡信号与所述姿态估计值的误差值，对所述误差值进行非线性误差反馈，得出第一控制量；根据所述扰动量的估计值对第一控制量进行补偿，获得第二控制量；根据所述第二控制量获得所述控制对象输出的第二姿态，所述控制对象输出的第二姿态包括所述控制对象输出的第二俯仰角、第二横滚角和第二偏航角。2.根据权利要求1所述的水下航行器姿态控制方法，其特征在于，所述获得所述控制目标的至少一个过渡信号，包括：根据所述控制目标的值获得过渡信号和所述过渡信号的微分信号。3.根据权利要求2所述的水下航行器姿态控制方法，其特征在于，所述根据所述控制对象输出的第一姿态计算姿态估计值和扰动量估计值，包括：根据所述过渡信号和所述过渡信号的微分信号获得所述控制对象输出的第一姿态；根据所述控制对象输出的第一姿态获得所述姿态的估计值和扰动量估计值；所述姿态的估计值包括第一估计值和第二估计值，所述第二估计值为所述第一估计值的微分值。4.根据权利要求3所述的水下航行器姿态控制方法，其特征在于，所述计算所述过渡信号与姿态估计值的误差值，对所述误差值进行非线性误差反馈，得出第一控制量，包括：将所述过渡信号和所述第一估计值进行比较，得到第一误差值；将所述过渡信号的微分信号和所述第二估计值进行比较，得到第二误差值；对所述第一误差值和第二误差值进行非线性误差反馈，得出所述第一控制量。5.根据权利要求1所述的水下航行器姿态控制方法，其特征在于，所述根据所述扰动量来对第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：解玮，郝程鹏，马慧，司昌龙，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：