一种X型舵AUV鲁棒精确控制方法技术

本发明专利技术公开了一种X型舵AUV鲁棒精确控制方法，包括：获取AUV艇体的位置、姿态、线速度和角速度，建立运动学模型、动力学模型以及X分配模型，构成X舵AUV数学模型；分别获取水平面和垂直面的当前AUV所处位置以及航路信息，建立水平面运动学控制器，设计垂直面运动学控制律；设计非线性干扰观测器对X舵AUV数学模型和垂直面运动学控制律的未建模动态进行估计和补偿，生成AUV高阶滑模控制器；基于阻尼矩阵对AUV高阶滑模控制器解算的控制输出进行X舵的控制分配。该控制方法可有效降低模型不确定性、外界干扰对AUV控制的影响。外界干扰对AUV控制的影响。外界干扰对AUV控制的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种X型舵AUV鲁棒精确控制方法


[0001]本专利技术涉及AUV控制
，特别涉及一种X型舵AUV鲁棒精确控制方法。

技术介绍

[0002]智能水下机器人(Autonomous Underwater Vechicle，AUV)凭借其无人自主工作特性，在科研、民用、军用领域受到了广泛关注，AUV控制技术是实现其自主航行作业的核心技术和关键能力。配备X型艉舵的AUV在安全性、水动力性能等方面优于传统十字舵AUV。因此，X型舵AUV控制受到了大量关注，具备广阔需求。
[0003]AUV在航行中现有研究中面临如下问题：
[0004]1.大部分AUV是一类欠驱动运动载体，需要运动学控制器生成期望艏向角和纵倾角，引导AUV到达指定位置。但海流干扰造成的侧滑角容易导致AUV运动学控制器存在静差，降低控制精度。
[0005]2.AUV动力学模型具有高度非线性，包含各类水动力参数，模型难以精确获取，而且AUV在运动过程中易受海流干扰，容易影响控制精度和鲁棒性。传统PID控制应用于具有高度非线性特性的AUV上，容易引起超调、振荡等问题，同时也容易导致执行机构饱和，鲁棒性和精确性均有一定缺陷。滑模控制是一种鲁棒控制方法，能在一定程度上解决模型不确定及外界扰动等问题，但传统滑模控制同时也面临输出抖振问题，容易影响执行机构寿命。
[0006]3.X舵AUV控制器输出是力矩形式，需要经过控制分配转化成各指令舵角。传统伪逆法实时性强，但未考虑舵角输出极限；而另一类基于非线性优化的方法，如SQP法等，虽然考虑输出限制，但算法复杂，占用了AUV较大的计算资源，实时性较差。
[0007]因此，在现有AUV航行控制的基础上，如何解决传统方法中由于AUV海流干扰、模型不确定等原因造成的控制精度低、鲁棒性差、依赖模型参数等问题，成为本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

[0008]鉴于上述问题，本专利技术提出了一种至少解决上述部分技术问题的X型舵AUV鲁棒精确控制方法，该方法可有效降低模型不确定性、外界干扰对AUV控制的影响。
[0009]本专利技术实施例提供一种X型舵AUV鲁棒精确控制方法，包括：
[0010]获取AUV艇体的位置、姿态、线速度和角速度，建立运动学模型、动力学模型以及X分配模型，构成X舵AUV数学模型；
[0011]分别获取水平面和垂直面的当前AUV所处位置以及航路信息，建立水平面运动学控制器，设计垂直面运动学控制律；
[0012]设计非线性干扰观测器对所述X舵AUV数学模型和垂直面运动学控制律的未建模动态进行估计和补偿，生成AUV高阶滑模控制器；
[0013]基于阻尼矩阵对所述AUV高阶滑模控制器解算的控制输出进行X舵的控制分配。
[0014]进一步地，所述运动学模型为：
[0015][0016][0017][0018][0019][0020][0021]上式中，向量[x,y,z]表示大地坐标系下AUV艇体的位置；欧拉角向量[φ,θ,ψ]表示艇体姿态；[u,v,w]表示艇体坐标系下艇体的线速度，[p,q,r]表示艇体坐标系下艇体的角速度。
[0022]进一步地，所述动力学模型为：
[0023][0024][0025][0026][0027][0028][0029]上式中，m表示AUV质量；f
r
表示动力学模型已知项；D
r
表示模型不确定项。
[0030]进一步地，所述X分配模型为：
[0031][0032]上式中，k
δi
、m
δi
、n
δi
，i＝1,
…
,4分别为4个舵在横倾的水动力系数、纵倾的水动力系数、以及回转自由度的水动力系数；δ
i
，i＝1,
…
,4为X舵的4个舵角。
[0033]进一步地，通过如下方式建立水平面运动学控制器：
[0034]分别获取水平面的当前AUV所处位置点以及当前航段的起始航路点、目标航路点和下一航路点的二维坐标；
[0035]计算第一直线航迹段的航迹角；所述第一直线航迹段由所述水平面的当前航段的起始航路点和目标航路点组成；
[0036]从所述水平面的当前AUV所处位置点作垂线到所述第一直线航迹段，根据所述第一直线航迹段的航迹角，得到AUV水平面的航迹偏差；
[0037]消除所述AUV水平面的航迹偏差，计算干扰估计和侧滑角估计值，生成水平面运动学控制器。
[0038]进一步地，通过如下公式计算所述第一直线航迹段的航迹角：
[0039]ψ
k
＝atan2(y
k+1
‑
y
k
,x
k+1
‑
x
k
)
[0040]上式中，(x
k
,y
k
)表示当前航段的目标航路点的水平面二维坐标；(x
k+1
,y
k+1
)表示当前航段的下一航路点的水平面二维坐标。
[0041]进一步地，所述AUV水平面的航迹偏差通过如下公式计算：
[0042]e＝
‑
(x
‑
x
k
‑1)sin(ψ
k
)+(y
‑
y
k
‑1)cos(ψ
k
)
[0043]上式中，(x
k
‑1,y
k
‑1)表示当前航段的起始航路点的水平面二维坐标；(x,y)表示水平面的当前AUV所处位置点；ψ
k
表示第一直线航迹段的航迹角。
[0044]进一步地，所述消除AUV水平面的航迹偏差，计算干扰估计，包括：
[0045]对所述AUV水平面的航迹偏差进行求导：
[0046][0047]上式中，V表示AUV的水平面航行速度；β表示海流干扰造成的侧滑角；ψ
k
表示第一直线航迹段的航迹角；
[0048]假设g＝Vβcos(ψ
‑
ψ
k
)；
[0049]通过下式对g进行干扰估计：
[0050][0051]上式中，为g的估计值；k
g
为观测器的参数；p
g
为观测器的辅助变量；V表示AUV的水平面航行速度；e表示AUV水平面的航迹偏差；ψ
k
表示第一直线航迹段的航迹角。
[0052]进一步地，通过如下公式计算侧滑角估计值：
[0053][0054]上式中，为g的估计值；V表示AUV的水平面航行速度；ψ
k
表示第一直线航迹段的航迹角。
[0055]进一步地，通过如下方式设计所述垂直面运动学控制律：
[0056]分别获取垂直面的当前AUV所处位置点，以及当前航段的起始航路点和目标航路点的二维坐标；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种X型舵AUV鲁棒精确控制方法，其特征在于，包括：获取AUV艇体的位置、姿态、线速度和角速度，建立运动学模型、动力学模型以及X分配模型，构成X舵AUV数学模型；分别获取水平面和垂直面的当前AUV所处位置以及航路信息，建立水平面运动学控制器，设计垂直面运动学控制律；设计非线性干扰观测器对所述X舵AUV数学模型和垂直面运动学控制律的未建模动态进行估计和补偿，生成AUV高阶滑模控制器；基于阻尼矩阵对所述AUV高阶滑模控制器解算的控制输出进行X舵的控制分配。2.如权利要求1所述的一种X型舵AUV鲁棒精确控制方法，其特征在于，通过如下方式建立水平面运动学控制器：分别获取水平面的当前AUV所处位置点以及当前航段的起始航路点、目标航路点和下一航路点的二维坐标；计算第一直线航迹段的航迹角；所述第一直线航迹段由所述水平面的当前航段的起始航路点和目标航路点组成；从所述水平面的当前AUV所处位置点作垂线到所述第一直线航迹段，根据所述第一直线航迹段的航迹角，得到AUV水平面的航迹偏差；消除所述AUV水平面的航迹偏差，计算干扰估计和侧滑角估计值，生成水平面运动学控制器。3.如权利要求2所述的一种X型舵AUV鲁棒精确控制方法，其特征在于，通过如下公式计算所述第一直线航迹段的航迹角：ψ
k
＝atan2(y
k+1
‑
y
k
,x
k+1
‑
x
k
)上式中，(x
k
,y
k
)表示当前航段的目标航路点的水平面二维坐标；(x
k+1
,y
k+1
)表示当前航段的下一航路点的水平面二维坐标。4.如权利要求2所述的一种X型舵AUV鲁棒精确控制方法，其特征在于，所述AUV水平面的航迹偏差通过如下公式计算：e＝
‑
(x
‑
x
k
‑1)sin(ψ
k
)+(y
‑
y
k
‑1)cos(ψ
k
)上式中，(x
k
‑1,y
k
‑1)表示当前航段的起始航路点的水平面二维坐标；(x,y)表示水平面的当前AUV所处位置点；ψ
k
表示第一直线航迹段的航迹角。5.如权利要求2所述的一种X型舵AUV鲁棒精确控制方法，其特征在于，所述消除AUV水平面的航迹偏差，计算干扰估计，包括：对所述AUV水平面的航迹偏差进行求导：上式中，V表示AUV的水平面航行速度；β表示海流干扰造成的侧滑角；ψ
k
表示第一直线航迹段的航迹角；假设g＝Vβcos(ψ
‑
ψ
k

【专利技术属性】
技术研发人员：李冀永，韩俊庆，钟荣兴，徐雪峰，侯成刚，于双宁，但杨文，王益民，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七零七研究所九江分部，
类型：发明
国别省市：