[發明專利]基于模糊邏輯和擴張狀態觀測器的低成本AUV速度估計方法

有效

• 申請號: 202010159727.X
• 申請日: 2020-03-09
• 公開（公告）號: CN111446898B
• 公開（公告）日: 2021-09-21
• 發明（設計）人: 何波;高爽;沈鉞;嚴天宏
• 申請（專利權）人: 中國海洋大學
• 主分類號: H02P21/18
• 分類號: H02P21/18;H02P21/13;H02P21/00
• 代理公司: 青島匯智海納知識產權代理有限公司 37335
• 代理人: 王丹丹

本發明涉及一種基于模糊邏輯和擴張狀態觀測器的低成本AUV速度估計方法，首先基于AUV運動模型得到螺旋槳轉速與AUV航速的關系，獲得在靜水環境當前螺旋槳轉速下對應的電機電流和AUV航速；然后基于模糊邏輯控制，根據AUV電機電流和轉速信息估計出當前環境下海流作用在AUV前進速度上的影響，得到AUV前進速度的粗略估計值；最后基于電機運動方程構建擴張狀態觀測器，并將AUV前進速度的粗略估計值、電機電流作為輸入，得到外部擾動和模糊控制造成的速度誤差，得到準確的速度估計值。本方案為不攜帶測速設備的低成本AUV中提供必要的準確的速度信息，通過該技術實時估計出當前AUV的前進速度，對于AUV的定速、導航、路徑規劃等具有重要意義。

技術領域

本發明涉及AUV速度估計領域，具體涉及一種基于模糊邏輯和擴張狀態觀測器的低成本AUV速度估計方法。

背景技術

自主式水下航行器(AUV)在國防、海洋調查和工業應用方面的廣泛應用。隨著AUV應用領域的不斷擴大，低成本化已逐漸成為AUV的一種發展趨勢，它也是衡量性價比的重要指標。但是，無論是標準型AUV還是低成本AUV，沒有精確的導航子系統和有效的控制子系統就無法完成諸多任務。

自1970年代以來，AUV的導航子系統和控制子系統已得到逐步完善。這意味著隨著導航與控制算法的改進，對速度，姿態和位置信息的依賴性變得越來越強。而與標準型AUV不同，低成本AUV缺乏用于改善導航和控制性能的關鍵傳感器，例如多普勒測速儀(DVL)或高端慣性導航系統(INS)。低成本AUV的導航和控制子系統主要依靠姿態和航向參考系統(AHRS)，水流量計，全球定位系統(GPS)和電子羅盤。然而，事實上并不是所有的低成本AUV都配備水流計，因此在復雜的海洋條件下，未配備水流計的低成本AUV的速度信息受到海流影響。在這種情況下，AUV導航與控制的主要挑戰是在沒有DVL、INS或水流計的情況下估計AUV巡航速度，從而實現控制和導航任務。

對于AUV，由于不能直接測量速度，現有技術中有許多關于速度估計的相關方案，比如，“Estimating water current velocities by using a model-based high-gainobserver for an autonomous underwater vehicle”設計了一種基于高增益觀測器和AUV流體動力學模型的方法利用慣性導航系統獲取AUV的位置、加速度、角速度等信息估計出AUV附近的水柱速度來估計AUV的速度；“A Novel Hybrid Approach to Deal with DVLMalfunctions for Underwater Integrated Navigation Systems”運用偏最小二乘回歸和支持向量回歸建立AUV速度估計器；“Extended State Observer-Based IntegralSliding Mode Control for an Underwater Robot With Unknown Disturbances andUncertain Nonlinearities”基于多輸入和多輸出擴展狀態觀測器和外部視覺定位系統，開發了一種新型的ROV集成滑模控制器；利用外部視覺定位系統為ROV提供位置信息以估計相應的速度信息；“Implementation of a Hydrodynamic Model-Based NavigationSystem for a Low-Cost AUV Fleet”利用姿態和航向參考系統提供的AUV前進速度作為參考，并利用AUV水動力方程對其進行修正得到AUV的速度信息。

但是，對于現有的速度估計方法仍然存在以下問題：

1、通常情況下需要額外搭載水流計、INS、聲納、ADCP(多普勒流速剖面儀)、攝像頭、USBL(超短基線)等能夠測量出AUV當前的位置信息或者海流信息的測量設備，這些設備考慮到價格成本以及AUV體積結構等因素并不適用于低成本AUV；