[發明專利]一種具有垂推的低速水下航行器的定深控制方法

有效

• 申請號: 201811333781.0
• 申請日: 2018-11-09
• 公開（公告）號: CN109189083B
• 公開（公告）日: 2021-02-02
• 發明（設計）人: 崔榮鑫;嚴衛生;陳樂鵬;張福斌;高劍;王銀濤;張守旭;彭星光
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G05D1/06
• 分類號: G05D1/06
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 陳星

本發明提出一種具有垂推的低速水下航行器的定深控制方法，屬于水下航行器控制領域。該方法不依靠傳統的舵面控制方式，而通過安裝在不同位置的垂向和側向推進器完成運動控制。在雙環輸出反饋控制方法的基礎上，設計了基于滑模控制的自適應律，在線估計系統參數不確定及未知干擾的上界，不斷地通過當前系統的運行狀態與期望狀態相比較，通過自適應律來改變控制器，使系統能夠達到預期的性能指標。

技術領域

本發明涉及水下航行器定深控制技術領域，具體為一種具有垂推的自主水下航行器的“深度+俯仰角”雙環輸出自適應滑模控制方法。

背景技術

自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)在可廣泛用于海底生物資源探查，礦產資源采樣，海底地形勘，沉物打撈，地震地熱活動監測，海洋環境監測，海洋工程維護等。

AUV具有很強的非線性特性，同時它的航行環境十分復雜，傳統的PID控制算法難以勝任。其中姿態控制存在以下幾個技術挑戰時變性，模型參數甚至結構不確定，未知的外部干擾以及控制輸入飽和等，這些問題都給的控制帶來了很多困難。由于 AUV在航行過程中流體參數會發生變化，造成模型參數具有不確定性，而且會受到海浪和海流的隨機干擾，這要求控制系統必須具有一定的魯棒性和自適應能力。

滑模控制作為一種特殊的魯棒控制方法，由于它突出的特點是滑動模態對于系統參數攝動和外界擾動等不確定因素不敏感，這種理想的魯棒性引起了控制界的極大關注。近二十年來，滑模控制方法在電機控制、機器人、伺服系統、空間飛行器等領域取得成功應用。特別是，隨著的不斷發展，將滑模控制應用于AUV的研究也越來越成為研究的重要方向。

另外，在實際工程中，由于系統模型參數的不確定和外界干擾的上界通常是無法事先獲取的，當選取過大的切換系數會導致系統顫振加劇、控制系統的保守性過強等問題，過小的切換系數會導致系統的不穩定。如何根據模型不確定和外界干擾來設計“自適應”的切換系數是一個很有理論和實際意義的研究問題。

綜上所述，一種具有垂推的低速AUV的定深控制還存在以下三個問題：1、AUV 的垂直面運動模型參數具有不確定性；2、海流等外部隨機干擾會對AUV的定深控制造成一定的影響；3、若僅用深度量測值進行定深控制，不采用俯仰角信息，會導致系統定深性能下降，甚至穩定性難以保證。

發明內容

本發明針對AUV定深控制中的模型不確定及外部干擾未知問題，同時考慮僅用深度測量值下的控制問題，提出了一種具有垂推的低速水下航行器的定深控制方法，采用“深度+俯仰角”雙環反饋的自適應滑模定深控制，在該方法中，基于滑模控制設計了自適應律對模型參數和外部干擾上界進行估計，以保證控制系統有良好的性能。

本發明的技術方案為：

所述一種具有垂推的低速水下航行器的定深控制方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟1：建立具有垂推的低速水下航行器垂直面運動模型：

其中η＝[z θ]^T，v＝[w q]^T，μ＝[-u_csinθ 0]^T；z為水下航行器在世界坐標系下的垂向位置坐標，θ為俯仰角，w為水下航行器在體坐標系下的垂向速度，q為俯仰角速度，u_c為水下航行器在體坐標系下的前向速度；M為水下航行器俯仰質量矩陣； f_C(w,q)，f_D(w,q)、f_G(θ)分別為理想流體產生的力與力矩組成的向量、流體阻尼力與力矩組成的向量、重力與浮力產生的恢復力與力矩組成的向量；Δ為模型不確定項和外界未知干擾，B為分配矩陣，T＝[T₁ T₂]^T為控制輸入，T₁，T₂分別為前垂推和后垂推產生的推力，