一种欠驱动水下航行器自适应镇定控制方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种欠驱动水下航行器自适应镇定控制方法及系统，所述方法包括：建立水下航行器模型，将模型分解为一个欠驱动外环子系统和一个全驱动内环子系统；构造一个含有时间变量的辅助变量，计算外环系统理想线速度和理想角速度指令，作为外环控制器使外环系统镇定；利用自适应估计结果构造参数自适应律，对未知参数进行自适应估计；构造自适应控制器，该控制器包括控制推力以及控制力矩，使航行器线速度和角速度跟踪外环系统的理想线速度和角速度，实现整个系统的镇定；计算控制推力τ1以及控制力矩τ2。本发明专利技术的优势在于：采用自适应控制方法解决了模型参数未知时欠驱动水下航行器的镇定控制问题，应用范围更广。应用范围更广。应用范围更广。

【技术实现步骤摘要】
一种欠驱动水下航行器自适应镇定控制方法及系统


[0001]本专利技术属于水下航行器控制领域，具体涉及一种欠驱动水下航行器自适应镇定控制方法及系统。

技术介绍

[0002]对于欠驱动水下航行器，由于不存在侧向力输入，系统具有欠驱动特性，导致航行器实现镇定时必须满足Brockett条件，即必须设计时变或者非光滑的控制律才能使欠驱动水下航行器镇定，传统的连续状态反馈无法实现镇定控制目标，这也增加了欠驱动水下航行器镇定控制器的设计难度。
[0003]此外，大多数关于欠驱动水下航行器全状态镇定控制方法的研究结果，均假设模型参数是精确已知的。实际上，由于建模误差以及模型参数计算误差的存在，导致水下航行器实际的模型参数是不可能精确已知的；此外在实际工程应用中，各种用途部件的装配也会使水下航行器的负载发生变化，造成系统的质量、转动惯量等参数发生变化，这也将导致某些模型参数的不确定性。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有欠驱动水下航行器全状态镇定控制方法无法使用不确定的模型参数进行计算的缺陷。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术提出了一种欠驱动水下航行器自适应镇定控制方法，所述方法包括：
[0006]步骤1：建立水下航行器模型，将模型分解为一个欠驱动外环子系统和一个全驱动内环子系统；
[0007]步骤2：构造一个含有时间变量的辅助变量，计算外环系统理想线速度和理想角速度指令，作为外环控制器使外环系统镇定；
[0008]步骤3：构造参数自适应律，对未知参数进行自适应估计；
[0009]步骤4：利用步骤3中的自适应估计结果构造自适应控制器，该控制器包括控制推力以及控制力矩，使航行器线速度和角速度跟踪外环系统的理想线速度和角速度，实现整个系统的镇定；计算控制推力τ1以及控制力矩τ2。
[0010]作为上述方法的一种改进，所述步骤1具体包括：
[0011]定义η＝[x,y,ψ]T
为航行器大地坐标系下的x轴坐标、y轴坐标、航向角ψ；v＝[u,v,r]T
为航行器本体坐标系下的线速度u、横滚角速度v、偏航角速度r；欠驱动水下航行器模型为：
[0012][0013][0014][0015][0016]其中，其中，m
11
、m
22
、m
33
表示系统惯量参数，m
11
包含质量与附加质量；m
22
、m
33
包含转动惯量与附加转动惯量；d
11
、d
22
、d
33
表示系统水动力阻尼参数；τ1表示系统控制推力；τ2表示系统控制力矩；表示x的导数；表示y的导数；表示ψ的导数；表示u的导数；表示v的导数；表示r的导数；
[0017]航行器镇定控制目标为：在上述模型参数未知条件下，设计控制输入τ1和τ2使航行器能够从初始状态航行至惯性空间的目标点η
d
＝[x
d
,y
d
,ψ
d
]T
，其中x
d
为大地坐标系x方向的位置坐标指令，y
d
为大地坐标系y方向的位置坐标指令，ψ
d
为大地坐标系下的航向角指令；
[0018]定义η
e
＝η
‑
η
d
＝[x
e
,y
e
,ψ
e
]T
为大地坐标系下航行器位置误差，z＝[z1,z2,z3]T
为本体坐标系下航行器位置误差，满足：
[0019][0020]将模型分解为一个欠驱动外环子系统和一个全驱动内环子系统；其中，欠驱动外环子系统为：
[0021][0022][0023][0024][0025]其中，其中，表示z1的导数；表示的导数；表示z3的导数；
[0026]全驱动内环子系统为：
[0027][0028]作为上述方法的一种改进，所述步骤2具体包括：
[0029]外环系统理想线速度u
d
为：
[0030]u
d
＝
‑
k1z1[0031]其中，设计参数k1＞0；变换后的镇定误差z1＝x
e
cos(ψ)+y
e
sin(ψ)，x
e
表示大地坐标系x轴方向的镇定误差，y
e
表示大地坐标系y轴方向的镇定误差；
[0032]理想角速度指令r
d
为：
[0033]r
d
＝
‑
k2ξ
‑
tanh(Z)
·
cos(t)
‑
(1
‑
tanh2(Z))(z1u
d
+z2v)
·
sin(t)
[0034]其中，变换后的镇定误差z2＝
‑
x
e
sin(ψ)+y
e
cos(ψ)；设计参数k2＞0为常数；变量含有时间变量的辅助变量ξ＝z3+tanh(Z)
·
sin(t)；t表示时间变量；变换后的航向角镇定误差z3＝ψ
e
，ψ
e
表示大地坐标系下的航向角误差。
[0035]作为上述方法的一种改进，所述步骤3具体包括：
[0036]定义自适应估计信号i＝1,2；j＝1,2,
…
,7表示未知参数的自适应估计信号，自适应更新律为：
[0037][0038][0039][0040][0041][0042]其中，自适应设计参数γ
j
＞0，j＝1,2,
…
,7；自适应设计参数控制器设计参数e
i
表示速度指令跟踪误差，其中e1表示线速度指令跟踪误差，e2表示角速度指令跟踪误差；α
i
表示辅助变量：
[0043][0044][0045]控制器设计参数l
i
＞0，i＝1,2；表示u
d
的导数；表示不含位置参数的理想角速度导数信号；j＝1,2,
…
,7表示未知参数的自适应估计信号。
[0046]作为上述方法的一种改进，所述步骤4具体包括：
[0047]自适应控制器为：
[0048][0049]其中，表示第i个控制器的控制信号：
[0050][0051][0052]本专利技术还提供一种欠驱动水下航行器自适应镇定控制系统，所述系统包括：
[0053]分解模型模块，用于建立水下航行器模型，将模型分解为一个欠驱动外环子系统和一个全驱动内环子系统；
[0054]计算理想线速度和角速度模块，用于构造一个含有时间变量的辅助变量，计算外环系统理想线速度和理想角速度指令，作为外环控制器使外环系统镇定；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种欠驱动水下航行器自适应镇定控制方法，所述方法包括：步骤1：建立水下航行器模型，将模型分解为一个欠驱动外环子系统和一个全驱动内环子系统；步骤2：构造一个含有时间变量的辅助变量，计算外环系统理想线速度和理想角速度指令，作为外环控制器使外环系统镇定；步骤3：构造参数自适应律，对未知参数进行自适应估计；步骤4：利用步骤3中的自适应估计结果构造自适应控制器，该控制器包括控制推力以及控制力矩，使航行器线速度和角速度跟踪外环系统的理想线速度和角速度，实现整个系统的镇定；计算控制推力τ1以及控制力矩τ2。2.根据权利要求1所述的欠驱动水下航行器自适应镇定控制方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：定义η＝[x,y,ψ]
T
为航行器大地坐标系下的x轴坐标、y轴坐标、航向角ψ；v＝[u,v,r]
T
为航行器本体坐标系下的线速度u、横滚角速度v、偏航角速度r；欠驱动水下航行器模型为：下航行器模型为：下航行器模型为：下航行器模型为：其中，其中，m
11
、m
22
、m
33
表示系统惯量参数，m
11
包含质量与附加质量；m
22
、m
33
包含转动惯量与附加转动惯量；d
11
、d
22
、d
33
表示系统水动力阻尼参数；τ1表示系统控制推力；τ2表示系统控制力矩；表示x的导数；表示y的导数；表示ψ的导数；表示u的导数；表示v的导数；表示r的导数；航行器镇定控制目标为：在上述模型参数未知条件下，设计控制输入τ1和τ2，使航行器能够从初始状态航行至惯性空间的目标点η
d
＝[x
d
,y
d
,ψ
d
]
T
，其中x
d
为大地坐标系x方向的位置坐标指令，y
d
为大地坐标系y方向的位置坐标指令，ψ
d
为大地坐标系下的航向角指令；定义η
e
＝η
‑
η
d
＝[x
e
,y
e
,ψ
e
]
T
为大地坐标系下航行器位置误差，z＝[z1,z2,z3]
T
为本体坐标系下航行器位置误差，满足：将模型分解为一个欠驱动外环子系统和一个全驱动内环子系统；其中，欠驱动外环子
系统为：系统为：系统为：系统为：其中，其中，表示z1的导数；表示的导数；表示z3的导数；全驱动内环子系统为：3.根据权利要求2所述的欠驱动水下航行器自适应镇定控制方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：外环系统理想线速度u
d
为：u
d
＝
‑
k1z1其中，设计参数k1＞0；变换后的镇定误差z1＝x
e
cos(ψ)+y
e
sin(ψ)，x
e
...

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