【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于auv控制，具体涉及到一种基于预设时间干扰观测器的auv滑模轨迹跟踪控制方法。
技术介绍
1、自主水下机器人(autonomous underwater vehicle,auv)是一种能够在水下长时间自主探测的无人无缆潜水器，它在深海探测、资源勘查、科学研究等领域发挥着重要作用。
2、目前，auv因为其用途广泛，可以代替人类进行水下做业而在石油和天然气勘探、深海检测、海洋测绘、管道维护和军事应用等任务中发挥重要作用。如何确保auv按照预定路线运动，实现高性能轨迹跟踪对高效完成任务起到关键作用。轨迹跟踪有许多挑战和难题，如：①为适应时变参考轨迹，轨迹跟踪误差需在有限时间区间内收敛；②考虑外界未知复杂海流干扰环境对auv运动控制带来的影响；③auv动力学模型呈现高度非线性、强耦合、参数不确定特性。
3、针对存在外部未知时变外部扰动的系统，有限时间和固定时间是常用的来实现跟踪的稳定性和准确性方法，但是有限时间和固定时间这两种算法无法精确得到系统的误差收敛时间导致无法精确得到系统的稳定时间，影响系统的控制性能和控制精度。
4、为避免有限时间和固定时间控制参数与预估收敛时间复杂关系，预设时间控制理论的出现在一定程度上简化了参数，预设时间控制理论的收敛时间由单参数决定与初始值无关。
5、在公开号为cn114488809a的专利文件中，提供一种基于数据驱动的无人水面艇有限时间控制方法，包括：设计带有未知扰动和不确定性的无人水面艇轨迹跟踪中的无人水面艇运动学与动力学数据模型；将有限时
6、然而上述专利文件中，没有减少外界扰动对系统的影响，无法实现对auv的精确操控。
技术实现思路
1、本专利技术为了解决现有技术中auv控制方法没有减少外界扰动对系统的影响，无法实现对auv的精确操控的问题，提供了一种基于预设时间干扰观测器的auv滑模轨迹跟踪控制方法。本专利技术一种基于预设时间干扰观测器的auv滑模轨迹跟踪控制方法，使用了扰动观测器估计了外界未知扰动，减少了外界扰动对系统的影响。
2、本专利技术一种基于预设时间干扰观测器的auv滑模轨迹跟踪控制方法所采用的技术方案为：
3、一种基于预设时间干扰观测器的auv滑模轨迹跟踪控制方法，包括以下步骤：
4、s1、根据控制系统的控制输入非线性模型参数及外界海流干扰，搭建包含海洋扰动的auv控制系统的数学模型；
5、s2、根据auv的运动学和动力学动态模型中的输入动态、综合观测误差及观测器误差状态，建立预设时间海流干扰观测器；
6、s3、根据auv的动态控制模型、预设时间干扰观测器以及跟踪误差，建立基于扰动观测的预设时间滑模控制器；
7、s4、利用预设时间滑模控制器对auv轨迹跟踪进行控制。
8、本专利技术方案的进一步改进在于，所述步骤s1的具体步骤如下：
9、利用数学动态模型：
10、
11、建立auv控制系统的数学模型；
12、其中，η＝[x,y,ψ]t,x,y,ψ分别表示自主式水下航行器在地球坐标系下的x轴、y轴上的位置以及艏摇角；v＝[u,v,r]t,u,v,r分别表示自主式水下航行器在船体坐标系下的横漂速度、纵荡速度以及艏摇角速度；
13、r(ψ)∈r3×3是转换矩阵，且r-1(ψ)＝rt(ψ)；
14、m∈r3×3是包括附加质量在内的系统正定惯性矩阵，且m＝diag(mu,mv,mγ)，其中m为自主式水下航行器的质量，为附加质量，iz为垂直轴的转动惯量，为附加转动惯量；
15、c(v)∈r3×3是科里奥利及向心矩阵，且
16、d(v)∈r3×3是阻尼矩阵，且d(v)＝diag(du,dv,dr)，其中du＝-xu-xu|u|u|，dv＝-yv-yv|v|v|，dr＝-nr-nr|r|r|，式中xu,xu|u|,yv,yv|v|,nr,nr|r|是线性二次阻力系数；
17、τ为控制输入，且τ＝[τu,τv,τr]t∈r3，其中τu为前进控制力，τv为横移控制力，τr为艏遥控制力矩；
18、d为在附体坐标系下由风，浪，流引起的环境干扰，且d＝[du,dv,dr]t∈r3。
19、本专利技术方案的进一步改进在于，所述步骤s2具体步骤如下：
20、利用数学公式：
21、建立预设时间干扰观测器；
22、其中，为综合扰动的估计值，δ为综合扰动且δ＝m-1d；π＝x-v，x∈r3为观测器的状态变量，v∈r3为自主式水下航行器的速度；η,tc,α，β，κ，ε为人为设定的系统参数，其中0<η<1，tc,α，β，ε均为大于零的常数，||δ||≤κ，||·||为2-范数，tanh为双曲正弦函数。
23、本专利技术方案的进一步改进在于，所述步骤s3具体步骤如下：
24、利用数学公式：
25、
26、建立预设时间滑模控制器；
27、其中，ηd是期望轨迹且二阶可导，是期望轨迹的二阶导；是转换矩阵r的一阶导数；η2，α2，β2,tc2为人为设定的系统参数，其中0<η2<1，tc2,α2，β2均为大于零的常数；s1是滑模函数，具体为e1为跟踪误差，且e1＝η-ηd，为的一阶导数；且η1，α1，β1,tc1为人为设定的系统参数，其中0<η1<1，tc1,α1，β1均为大于零的常数。
28、本专利技术的有益效果是：
29、本专利技术基于预设时间干扰观测器的auv滑模轨迹跟踪控制方法中通过引入预设时间稳定函数，并且利用滑模函数和扰动观测器设计了预设时间轨迹跟踪控制器，该控制器在存在外界干扰的情况下，利用系统内部参数对外界未知海流扰动进行了实时估计，实现了估计出来的扰动与实际扰动只有较小的误差，即估计误差迅速收敛至零，从而减少了外界扰动对系统的影响，系统误差可以迅速在预设时间内收敛至零且收敛时间提前预设，使自主式水下机器人在很短时间内按照期望轨迹运动，实现了对自主式水下机器人的精确控制，保证了系统控制性能的稳定性和精确性。
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1.一种基于预设时间干扰观测器的AUV滑模轨迹跟踪控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于预设时间干扰观测器的AUV滑模轨迹跟踪控制方法，其特征在于：所述步骤S1的具体步骤如下：
3.根据权利要求2所述的一种基于预设时间干扰观测器的AUV滑模轨迹跟踪控制方法，其特征在于：所述步骤S2具体步骤如下：
4.根据权利要求3所述的一种基于预设时间干扰观测器的AUV滑模轨迹跟踪控制方法，其特征在于：所述步骤S3具体步骤如下：
【技术特征摘要】
1.一种基于预设时间干扰观测器的auv滑模轨迹跟踪控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于预设时间干扰观测器的auv滑模轨迹跟踪控制方法，其特征在于：所述步骤s1的具体步骤如下：
3.根据...
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