一种考虑量化状态反馈的自主水下机器人轨迹跟踪控制方法技术

本发明专利技术的目的在于提供一种考虑量化状态反馈的自主水下机器人轨迹跟踪控制方法，包括如下步骤：建立水下机器人的运动数学模型；设计量化扩张状态观测器实现对外部干扰的观测；设计量化状态下的自适应控制律来实现轨迹跟踪控制。本发明专利技术提出的控制方案考虑了水下机器人平台内部的数模信号转换精度损失以及系统资源限制，可以保证在量化状态反馈下水下机器人轨迹跟踪控制系统的稳定性。本发明专利技术实现了量化状态反馈下对未知外部海洋干扰的观测，所提出的方案中不需要连续的状态反馈，但可实现对未知外部干扰的高精度观测，进而可保证自适应控制器的轨迹跟踪控制性能。控制器的轨迹跟踪控制性能。控制器的轨迹跟踪控制性能。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑量化状态反馈的自主水下机器人轨迹跟踪控制方法


[0001]本专利技术涉及的是一种机器人控制方法，具体地说是水下机器人控制方法。

技术介绍

[0002]在水下机器人控制系统中，由于传感器与主控系统之间的信号传输通过数模转换进行，因此状态量化是控制器设计中普遍的一个问题。由于量化误差和量化器固有的不连续特性的影响，造成的量化误差使得控制系统收到扰动。同时，在水下环境中，水声信号是水下机器人进行定位的一种重要手段。当水下机器人在水下执行任务时，保持较高的水声通信频率不仅能耗高，而且会带来通信信道阻塞的风险。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供能实现量化状态反馈下的轨迹跟踪控制目标的一种考虑量化状态反馈的自主水下机器人轨迹跟踪控制方法。
[0004]本专利技术的目的是这样实现的：
[0005]本专利技术一种考虑量化状态反馈的自主水下机器人轨迹跟踪控制方法，其特征是：
[0006](1)建立水下机器人的运动数学模型；
[0007](2)设计量化扩张状态观测器实现对外部干扰的观测；
[0008](3)设计量化状态下的自适应控制律来实现轨迹跟踪控制。
[0009]本专利技术还可以包括：
[0010]1、步骤(1)建立水下机器人的运动数学模型，具体为：
[0011]三自由度下的水下机器人运动数学模型如下：
[0012][0013]式中，是在大地坐标系中定义的位置矢量，其中x,y分别代表正东和正北坐标，表示航向角，v＝[u,v,r]T
为随体坐标系下的速度矢量，τ＝[τ
u
,τ
v
,τ
r
]T
表示控制力输入，其中τ
u
,τ
v
分别代表螺旋桨前进推力和侧推力，τ
r
代表转艏力矩，d(t)＝[d
u
(t),d
v
(t),d
r
(t)]T
表示时变海洋扰动，M和D(v)分别为对角惯性矩阵和水动力阻尼矩阵，表示大地坐标系和随体坐标系之间的旋转矩阵，C(v)表示向心力矩阵，M、C(v)和D(v)定义如下：
[0014][0015][0016]式中，是惯性质量和附加质量的耦合项，表示转动惯量和附加转动惯量的总和；D
u
＝
‑
X
u
‑
X
|u|u
u,D
v
＝
‑
Y
v
‑
Y
|v|v
v和D
r
＝
‑
N
r
‑
N
|r|r
r，其中，X(
·
),Y(
·
),N(
·
)为水动力系数。
[0017]2、步骤(2)设计量化扩张状态观测器实现对外部干扰的观测，具体为：
[0018]考虑由一致量化器q(w)所产生的量化状态信号，其形式为：
[0019][0020]式中，w为量化器输入，w1＝w
min
+l/2、w
i
＝w
i
‑1+l、w
min
≥0为量化死区参数，l＞0表示量化密度；
[0021]对于上述的均匀量化器，有以下性质：
[0022]|q(w)
‑
w|≤max{w
min
,l}
[0023]记q(
·
)为水下机器人的状态量化写作和量化误差向量和e
v
＝[e
u
,e
v
,e
r
]T
定义如下：
[0024][0025]将外部干扰d(t)视为扩张状态，构造出以下二阶系统：
[0026][0027]式中，是未知函数，记速度和干扰的观测值为观测误差定义为联立水下机器人运动数学模型，得到如下观测器误差系统：
[0028][0029]基于上述误差系统，量化扩张状态观测器形式如下：
[0030][0031]式中，k1和k2是设计的正常数，和分别是v和d的估计值。
[0032]3、步骤(3)设计量化状态下的自适应控制律来实现轨迹跟踪控制，具体为：
[0033]对于给定的期望轨迹η
d
，定义位置跟踪误差为η
e
＝η
‑
η
d
，速度误差为v
e
＝v
‑
v
d
，得到
如下误差动态：
[0034][0035]式中，v
d
是设计的虚拟速度，虚拟速度v
d
如下：
[0036][0037]式中，k3＞0是设计的控制参数，v
e
的导数形式如下：
[0038][0039]基于上述误差动态，量化状态下的自适应控制律形式如下：
[0040][0041]式中，k3和k4是正参数，向量被定义为矩阵定义如下:
[0042][0043]4、还包括验证观测误差系统及跟踪误差系统的稳定性，其具体为：
[0044]对于观测误差系统，定义对于观测误差系统，定义观测误差的导数整理为如下紧凑形式：
[0045][0046]考虑如下李雅普诺夫函数：
[0047]V1＝e
T
Pe
[0048]对上述李雅普诺夫函数求导，得到在下述条件满足时，观测误差e一致最终有界，所涉及的条件如下：
[0049][0050]式中，P和Q是正定矩阵，ε1,ε2,ε3为任意使上述条件成立的已知正常数，A,B1,B2,B3的定义如下：
[0051][0052]对于量化状态下的自适应跟踪控制器，考虑如下李雅普诺夫方程：
[0053][0054]对上述李雅普诺夫函数求导，得到在所设计的自适应控制律作用下，η
e
和v
e
一致最终有界。
[0055]本专利技术的优势在于：
[0056](1)本专利技术提出的控制方案考虑了水下机器人平台内部的数模信号转换精度损失以及系统资源限制，可以保证在量化状态反馈下水下机器人轨迹跟踪控制系统的稳定性。
[0057](2)本专利技术实现了量化状态反馈下对未知外部海洋干扰的观测，所提出的方案中不需要连续的状态反馈，但可实现对未知外部干扰的高精度观测，进而可保证自适应控制器的轨迹跟踪控制性能。
附图说明
[0058]图1为本专利技术的流程图；
[0059]图2为一致量化器的示意图；
[0060]图3为模拟海浪图；
[0061]图4为水下机器人运动轨迹的时间响应图；
[0062]图5a为跟踪误差的时间响应，图5b为控制力矩的时间响应；
[0063]图6a为量化扩张状态观测器所观测的速度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑量化状态反馈的自主水下机器人轨迹跟踪控制方法，其特征是：(1)建立水下机器人的运动数学模型；(2)设计量化扩张状态观测器实现对外部干扰的观测；(3)设计量化状态下的自适应控制律来实现轨迹跟踪控制。2.根据权利要求1所述的一种考虑量化状态反馈的自主水下机器人轨迹跟踪控制方法，其特征是：步骤(1)建立水下机器人的运动数学模型，具体为：三自由度下的水下机器人运动数学模型如下：式中，是在大地坐标系中定义的位置矢量，其中x,y分别代表正东和正北坐标，表示航向角，v＝[u,v,r]
T
为随体坐标系下的速度矢量，τ＝[τ
u
,τ
v
,τ
r
]
T
表示控制力输入，其中τ
u
,τ
v
分别代表螺旋桨前进推力和侧推力，τ
r
代表转艏力矩，d(t)＝[d
u
(t),d
v
(t),d
r
(t)]
T
表示时变海洋扰动，M和D(v)分别为对角惯性矩阵和水动力阻尼矩阵，表示大地坐标系和随体坐标系之间的旋转矩阵，C(v)表示向心力矩阵，M、C(v)和D(v)定义如下：下：式中，是惯性质量和附加质量的耦合项，表示转动惯量和附加转动惯量的总和；D
u
＝
‑
X
u
‑
X
|u|u
u,D
v
＝
‑
Y
v
‑
Y
|v|v
v和D
r
＝
‑
N
r
‑
N
|r|r
r，其中，X
(
·
)
,Y
(
·
)
,N
(
·
)
为水动力系数。3.根据权利要求1所述的一种考虑量化状态反馈的自主水下机器人轨迹跟踪控制方法，其特征是：步骤(2)设计量化扩张状态观测器实现对外部干扰的观测，具体为：考虑由一致量化器q(w)所产生的量化状态信号，其形式为：式中，w为量化器输入，w1＝w
min
+l/2、w

【专利技术属性】
技术研发人员：郝勇，刘宇航，安好，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：