一种欠驱动auv的模型预测对接控制方法技术

本发明专利技术公开了一种欠驱动auv的模型预测对接控制方法，包括：对接误差模型设计；对接控制器的设计，包括期望趋近角的设计和动力学控制器的设计。本发明专利技术针对一种常见的缺少横向和垂向驱动力的欠驱动AUV，采用USBL进行定位，获取喇叭口导向式对接装置上的四个应答器在载体坐标系中的坐标，并通过坐标变换得到AUV在固定坐标系中的位置和姿态，考虑USBL视角的约束，应用MPC优化了其对接过程中的期望趋近角，不仅实现了其三维空间内的对接控制，而且有效的缩短了对接距离。的缩短了对接距离。的缩短了对接距离。

【技术实现步骤摘要】
一种欠驱动auv的模型预测对接控制方法


[0001]本专利技术涉及自主水下航行器技术，具体涉及一种欠驱动auv的模型预测对接控制方法。

技术介绍

[0002]目前，自主水下航行器（AUV）在海洋开发中得到广泛的应用。当AUV要在水下执行给定任务时，首先通过母船对AUV进行布放，然后AUV对预先规划的路径进行跟踪控制来完成目标区域的勘察或探测，当任务完成后要对AUV进行回收，即返回母船进行能量补给、数据交换（下载探测数据或接受新的任务）和检修等工作。传统的回收方法是当AUV返回并靠近母船时，采用吊车等设备将其吊起进行回收，但是这种方法不仅会增加船员的工作量，而且自动化程度较低，所以如何实现AUV的自主回收是目前的一个研究热点。目前典型的回收方式主要有：平台式、导向式、捕捉式、鱼雷发射管式等，其中喇叭口导向式回收装置较简单，可靠性和实用性较好，可以实现AUV的自主回收，应用较为广泛。
[0003]AUV自主回收的难点主要有两个，一是AUV的导航定位问题，因为AUV在回收过程中要实时的获取自身的位置和姿态。导向式回收方式一般将回收分为回坞和对接两个步骤，回坞的目的是使AUV通过跟踪规划的路径回到对接区域，这一步控制精度要求不高，AUV采用自主导航即可。AUV进入对接区域后即启动对接程序，这一步控制精度要求较高。水声导航定位技术由于定位精度较高得到了广泛的应用，其中超短基线定位系统（USBL, Ultroshort Base Line）结构简单、体积小更受青睐。AUV自主回收的另一个难点是其控制问题。为了降低成本和提高可靠性，很多AUV设计为欠驱动的形式，即在某些自由度缺少驱动力，另外其运动模型很难精确获取、工作环境也存在各种干扰，这都给控制器的设计构成了困难。有文献针对AUV的对接问题，应用USBL进行定位，设计了一种改进的卡尔曼滤波算法，改善了信号的滞后和干扰问题。有文献针对一种全驱动AUV的对接问题，应用神经网络和滑模技术设计了控制器，实现了其对接过程中的姿态控制。模型预测控制（MPC）便于处理具有约束的控制问题，在AUV自主回收控制中也得到了大量的应用。有文献设计了一种基于MPC和模糊控制的回坞导引算法，实现了AUV的自主回收。有文献应用USBL进行定位，基于MPC设计了控制器，实现了一种全驱动AUV的对接控制。有文献应用MPC处理对接的约束问题，实现了一种动基座 UUV的自主回收。
[0004]以上文献主要解决的是AUV在水平面内的回收问题，在对接过程中基本未考虑深度误差的影响。本专利技术针对一种常见的欠驱动AUV（缺少横向和垂向驱动力），采用USBL进行定位，应用MPC优化了其对接过程中的期望趋近角，实现了其三维空间内的对接控制。

技术实现思路

[0005]本专利技术的主要目的在于提供一种欠驱动auv的模型预测对接控制方法。
[0006]本专利技术采用的技术方案是：一种欠驱动auv的模型预测对接控制方法，包括：对接误差模型设计；对接控制器的设计，包括期望趋近角的设计和动力学控制器的设计。
[0007]进一步地，所述对接误差模型设计包括：设置了两个坐标系，一个为载体坐标系，其原点定义在AUV的浮心O处，另一个为固定坐标系，其原点定义在导向式对接装置喇叭口的中心E处；载体坐标系的x轴指向前方、y轴指向右侧、z轴指向下方，固定坐标系的ξ轴指向前方与对接路径重合、η轴指向右侧的应答器2、ζ轴指向下方的应答器4；对接误差模型可以简化为
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(1)式（1）中，为AUV在中的位置和姿态，即对接误差，代表AUV在中的坐标、θ为AUV的纵倾角、ψ为AUV的艏摇角；代表AUV在中的速度，u为纵向速度、v为横向速度、w为垂向速度、q为纵倾角速度、r为艏摇角速度；为到的旋转变换矩阵，首先通过USBL接收器获取4个应答器在中的坐标，它们与对接误差满足关系式（2），
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(2)式（2）中，为USBL接收器获取的4个应答器的
坐标，l为USBL接收器与浮心O的距离，为4个应答器在中的坐标，为4个应答器在中的坐标；对接装置喇叭口的半径为1米，所以；通过关系式可得
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(3)通过关系式可得
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(4)通过关系式可得
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(5)。
[0008]更进一步地，所述期望趋近角的设计包括：设计导引律生成艏摇角和纵倾角的期望值，即期望趋近角；采用如下LOS导引律
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(6)式（6）中为垂直面趋近角，为水平面趋近角，和为前视距离；采用MPC设计导引律来对期望趋近角进行优化，纵倾角和艏摇角对期望趋近角的误差方程可以近似为以下微分方程
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(7)式（7）中为可调时间常数，其中；根据对接误差模型（1），横向和垂向的对接误差方程可以简化为
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(8)式（8）中，当时可以简化为，当时可以简化为；将式（7）和式（8）合并，则对接控制可以等价为如下误差的镇定问题
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(9)将式（9）离散化可得对接误差的预测模型为
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(10)式（10）中的下标k代表采用时间序列，式（10）中的下标k代表采用时间序列，和分别为状态向量和输出向量，均为对接误差，为输入向量，即期望趋近角，T为采样周期；在k时刻，根据预测模型（10）可得将来k+1至时刻对接误差的预测值为式中的分别代表控制步长和预测步长，其中；则进一步可得预测的输出值为
预测输出值可以整理为以下矩阵形式
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(11)(11)因为USBL接收器的视角是受限制的，所以考虑期望趋近角的约束条件为
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(12)将（12）整理为以下线性矩阵不等式
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(13)
符号为克罗内克积；构造Lyapunov函数
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(14)对式（14）求导可得式中，，只要满足，则；将稳定约束条件整理为以下线性矩阵不等式
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(15)求解最优问题，定义如下代价函数
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(16)代价函数（16）中的加权矩阵,, ， 均为正定矩阵，其中，将（11）带入（16）可得
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(17)式（17）中， 因为在每一个采用时刻为常值，所以考虑约束的MPC最优问题可以等价为对以下二次型的求解
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(18)在每个采用周期通过求解式（18）可以得到将来步最优期望趋近角的序列值，当然只要将的第一组值作为当前的期望趋近角即可，当进入下一个采用周期再重复以上计算。
[0009]更进一步地，所述动力学控制器的设计包括：实现期望纵向速度和趋近角的控制，其中纵向速度的期望值m.s
‑1，是通控制推进器的转速产生纵向力X来实现，趋近角是通过控制水平舵角和垂直舵角产生纵倾力矩M和艏摇力矩N来实现；动力学控制器采用如下PID本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种欠驱动auv的模型预测对接控制方法，其特征在于，包括：对接误差模型设计；对接控制器的设计，包括期望趋近角的设计和动力学控制器的设计。2.根据权利要求1所述的欠驱动auv的模型预测对接控制方法，其特征在于，所述对接误差模型设计包括：设置了两个坐标系，一个为载体坐标系，其原点定义在AUV的浮心O处，另一个为固定坐标系，其原点定义在导向式对接装置喇叭口的中心E处；载体坐标系的x轴指向前方、y轴指向右侧、z轴指向下方，固定坐标系的ξ轴指向前方与对接路径重合、η轴指向右侧的应答器2、ζ轴指向下方的应答器4；对接误差模型可以简化为
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(1)式（1）中，为AUV在中的位置和姿态，即对接误差，代表AUV在中的坐标、θ为AUV的纵倾角、ψ为AUV的艏摇角；代表AUV在中的速度，u为纵向速度、v为横向速度、w为垂向速度、q为纵倾角速度、r为艏摇角速度；为到的旋转变换矩阵，首先通过USBL接收器获取4个应答器在中的坐标，它们与对接误差满足关系式（2），
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(2)式（2）中，为USBL接收器获取的4个应答器的坐标，l为
USBL接收器与浮心O的距离，为4个应答器在中的坐标，为4个应答器在中的坐标；对接装置喇叭口的半径为1米，所以；通过关系式可得
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(3)通过关系式可得
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(4)通过关系式可得
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(5)。3.根据权利要求1所述的欠驱动auv的模型预测对接控制方法，其特征在于，所述期望趋近角的设计包括：设计导引律生成艏摇角和纵倾角的期望值，即期望趋近角；采用如下LOS导引律
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(6)
式（6）中为垂直面趋近角，为水平面趋近角，和为前视距离；采用MPC设计导引律来对期望趋近角进行优化，纵倾角和艏摇角对期望趋近角的误差方程可以近似为以下微分方程
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(7)式（7）中为可调时间常数，其中；根据对接误差模型（1），横向和垂向的对接误差方程可以简化为
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(8)式（8）中，当时可以简化为，当时可以简化为；将式（7）和式（8）合并，则对接控制可以等价为如下误差...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓伟，蒋晓刚，郑海娟，朱家梁，李遂意，陈晓华，黄卫萍，何钧钧，
申请(专利权)人：九江职业技术学院，
类型：发明
国别省市：