一种考虑舵的饱和及死区特性的自主水下航行器控制方法技术

本发明专利技术涉及一种考虑舵的饱和及死区特性的自主水下航行器控制方法，属于自动控制技术领域。包括：获取自身姿态及角速度、参考姿态角；将参考姿态角输入命令滤波器，获取参考轨迹，轨迹跟踪误差；设计期望的虚拟控制律，包括自适应滑模控制器、自适应神经网络控制器、和自适应死区逆补偿器，同时利用双曲正切函数考虑舵的饱和特性；基于动态逆的方法求解舵的控制输入。本发明专利技术通过对舵的死区和饱和特性的处理，使得原本控制输入处于饱和或死区下转换为相应的理想输入值，使得控制器的精度更高，可以更好的发挥控制器的性能。以更好的发挥控制器的性能。以更好的发挥控制器的性能。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑舵的饱和及死区特性的自主水下航行器控制方法


[0001]本专利技术属于自动控制
，涉及一种欠驱动自主水下航行器运动控制过程中，舵的非线性特性处理。

技术介绍

[0002]自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)具有体积小、机动能力强、智能性强、隐蔽性高、作业安全性高等优点，不需要人为干预和大型的水面支持便可完成海洋监测、海洋考古和水下作业等任务。
[0003]相比于无人船和水面舰艇，AUV的动力学系统更为复杂，具有非线性、时变性等特征。由于海洋环境复杂，AUV在水下航行期间可能会受到洋流、浪涌等干扰。近年来，国内外专家关于运动控制方面开展了较为详细的研究，致力于提升AUV的可操纵性、稳定性、鲁棒性等。
[0004]现有的欠驱动水下航行器控制方法大部分没有考虑舵的非线性特性，或仅通过直接限幅来解决饱和特性，这种控制方式在工程实践中会造成对舵机和机械结构的损伤。部分研究人员考虑了水下航行器控制的舵饱和特性或死区特性，但并没有同时考虑两者。

技术实现思路

[0005]要解决的技术问题
[0006]为了避免现有技术的不足之处，同时考虑水下航行器的舵的饱和及死区特性，使得控制精度更高、经济性和安全性更好，本专利技术提供了一种考虑舵的饱和及死区特性的自主水下航行器控制方法。
[0007]技术方案
[0008]一种考虑舵的饱和及死区特性的自主水下航行器控制方法，其特征在于步骤如下：
[0009]S1：获取自身姿态及角速度、参考姿态角；
[0010]S2：将参考姿态角输入命令滤波器，获取参考轨迹，轨迹跟踪误差；
[0011]S3：设计期望的虚拟控制律，包括自适应滑模控制器、自适应神经网络控制器、和自适应死区逆补偿器，同时利用双曲正切函数考虑舵的饱和特性；
[0012]S4：基于动态逆的方法求解舵的控制输入。
[0013]本专利技术进一步的技术方案：S1具体为：通过AUV自身携带的姿态传感器获取姿态信息η2及航行器角速度v2；根据上位机下达的任务指令或视线导引法，获取参考航向角ψ
d
与参考俯仰角θ
d
。
[0014]本专利技术进一步的技术方案：S2具体为：定义如下命令滤波器
[0015][0016]其中，A
d
＝diag{ζ
r1
ω
r1
,ζ
r2
ω
r2
,ζ
r3
ω
r3
}是正定参数矩阵，
ω
ri
,ζ
ri
,是滤波器的固有频率和阻尼比；参考轨迹由AUV的初始状态来进行初始化，即η
2r
(0)＝η2(0)和v(0)为AUV在零时刻的速度，η
2r
为平滑的参考轨迹；
[0017]轨迹跟踪误差定义为
[0018][0019]其中，e
ψ e
θ 分别为航向角跟踪误差、俯仰角跟踪误差、横滚角跟踪误差；
[0020]经过一阶命令滤波器后的误差定义为
[0021][0022]其中，Λ和K
a
是正定常数增益向量，K
a
的数值取决于相关的控制力系数和舵的限制；tanh是双曲正切函数，是期望角速度作为姿态误差的虚拟控制。
[0023]本专利技术进一步的技术方案：S3具体为：基于近似动力学模型设计期望的加速度，如下式所示，使得系统向滑模面r＝0逼近
[0024][0025]其中，其中，为死区参数估计误差，与死区输入有关，自适应律入有关，自适应律为雅克比矩阵的转置，d为不可参数化的死区估计残差，为残差上界的估计值，和为设计的正定参数；
[0026]u
as
是自适应滑模控制器，定义如下
[0027][0028]其中，K
s
＝diag{K
s1
,K
s2
,K
s3
}为对角正定矩阵，为自适应选择系数，K
b
为正定常数增益矩阵；符号函数sgn(r)定义为
[0029][0030]其中，r1,r2,r3为误差r的元素，sgn(
·
)是标量符号函数；
[0031]设计如下的神经网络来补偿动力学模型的不确定性
[0032][0033]其中，是W，V的估计矩阵；
[0034]相应的，估计误差被定义为u
ar
是鲁棒信号，设计如下
[0035][0036]其中，为两个自适应控制参数，
[0037]本专利技术进一步的技术方案：S4具体为：通过伪逆的方法，利用动力学模型的近似形式来计算舵δ的推力控制
[0038][0039]其中，是的伪逆，且该逆一定存在，因为对于欠驱动水下航行器来说，是一个满秩矩阵；是的逆函数；δ＝[δ
d δ
e δ
r
]T
，分别为差动舵，水平舵，垂直舵；和为估计的系统参数和函数。
[0040]一种计算机系统，其特征在于包括：一个或多个处理器，计算机可读存储介质，用于存储一个或多个程序，其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现上述的方法。
[0041]一种计算机可读存储介质，其特征在于存储有计算机可执行指令，所述指令在被执行时用于实现上述的方法。
[0042]一种计算机程序，其特征在于包括计算机可执行指令，所述指令在被执行时用于实现上述的方法。
[0043]有益效果
[0044]本专利技术提出的一种考虑舵的饱和及死区特性的自主水下航行器控制方法，与现在的控制方法相比，有益效果如下：
[0045]1.鲁棒性强、控制精度高
[0046]本专利技术中，通过对舵的死区和饱和特性的处理，使得原本控制输入处于饱和或死区下转换为相应的理想输入值，使得控制器的精度更高，可以更好的发挥控制器的性能。
[0047]2.安全性更高、经济性更好
[0048]本专利技术中，通过对舵的饱和特性的处理，增强了舵的效率及安全性，避免因为舵的过量输入导致舵机损坏或舵板、连接轴等机械部件的损坏。
附图说明
[0049]附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本专利技术的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
[0050]图1本专利技术流程图；
[0051]图2AUV轨迹跟踪轨迹；
[0052]图3X轴跟踪误差及控制输入；
[0053]图4Y跟踪误差及控制输入；
[0054]图5Z跟踪误差及控制输入。
具体实施方式
[0055]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面描述的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑舵的饱和及死区特性的自主水下航行器控制方法，其特征在于步骤如下：S1：获取自身姿态及角速度、参考姿态角；S2：将参考姿态角输入命令滤波器，获取参考轨迹，轨迹跟踪误差；S3：设计期望的虚拟控制律，包括自适应滑模控制器、自适应神经网络控制器、和自适应死区逆补偿器，同时利用双曲正切函数考虑舵的饱和特性；S4：基于动态逆的方法求解舵的控制输入。2.根据权利要求1所述考虑舵的饱和及死区特性的自主水下航行器控制方法，其特征在于S1具体为：通过AUV自身携带的姿态传感器获取姿态信息η2及航行器角速度v2；根据上位机下达的任务指令或视线导引法，获取参考航向角ψ
d
与参考俯仰角θ
d
。3.根据权利要求2所述考虑舵的饱和及死区特性的自主水下航行器控制方法，其特征在于S2具体为：定义如下命令滤波器其中，A
d
＝diag{ζ
r1
ω
r1
,ζ
r2
ω
r2
,ζ
r3
ω
r3
}是正定参数矩阵，ω
ri
,是滤波器的固有频率和阻尼比；参考轨迹由AUV的初始状态来进行初始化，即η
2r
(0)＝η2(0)和v(0)为AUV在零时刻的速度，η
2r
为平滑的参考轨迹；轨迹跟踪误差定义为其中，e
ψ e
θ
分别为航向角跟踪误差、俯仰角跟踪误差、横滚角跟踪误差；经过一阶命令滤波器后的误差定义为其中，Λ和K
a
是正定常数增益向量，K
a
的数值取决于相关的控制力系数和舵的限制；tanh是双曲正切函数，是期望角速度作为姿态误差的虚拟控制。4.根据权利要求3所述考虑舵的饱和及死区特性的自主水下航行器控制方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：高剑，宋保维，潘光，张福斌，王鹏，陈依民，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：