[發明專利]一種可底棲式AUV的水平面軌跡快速跟蹤控制方法

有效

• 申請號: 202010523598.8
• 申請日: 2020-06-10
• 公開（公告）號: CN111650948B
• 公開（公告）日: 2022-08-02
• 發明（設計）人: 曹禹;孫延超;秦洪德;萬磊;張宇昂;景銳潔
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G05D1/06
• 分類號: G05D1/06
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 張換男

一種可底棲式AUV的水平面軌跡快速跟蹤控制方法，它屬于自主式水下機器人的軌跡跟蹤控制技術領域。本發明解決了將目前的控制方法應用到可底棲式AUV時存在的控制精度有限，且調整速度慢的問題。本發明將海流擾動、模型不確定性組合為擾動集總項，使用有限時間擾動觀測器逼近擾動集總項值，并引入神經網絡估計觀測誤差。進而提出一種基于有限時間擾動觀測器的自適應神經網絡反步控制器，來實現對可底棲式AUV的有限時間高精度軌跡跟蹤控制。本發明可以應用于可底棲式AUV的軌跡跟蹤控制。

技術領域

本發明屬于自主式水下機器人的軌跡跟蹤控制技術領域，具體涉及一種可底棲式AUV的水平面軌跡快速跟蹤控制方法。

背景技術

自主式水下機器人(AUV)作為人類探索和開發海洋的重要工具，其在軍事和民用領域都有著很大的發展前景。當下，根據AUV的工作特點，可將其分為用于大范圍調查的巡航式AUV以及用于小范圍觀察的懸停式AUV。雖然兩種類型的AUV都具有著極大的作用，但是相應的缺陷也很明顯，如：巡航式AUV的定點觀察能力較差、懸停式AUV的大范圍調查能力較差。所以為了實現對海洋的進一步觀測，開發一種高度自治并兼具巡航式AUV與懸停式AUV的特點的新型AUV是非常有意義的。因此，底棲式AUV的概念也由此被提出，可底棲式AUV是一種結合了海底觀測節點與AUV特性的一種新型水下航行器，可以用于海底信息采集，可以在完成海底坐標高精度探測任務的同時，滿足對微小目標識別的需求。同時，此種改型AUV也是一類典型的非線性強耦合系統，不僅具有工作環境復雜、水動力參數難以精確求解等AUV共性的研究障礙，而且在大規模部署以及精確坐沉于海底的作業要求下，存在水動力系數攝動、載體易發生碰撞等影響因素。

為完整、高效地完成指定區域的海底油氣地震勘探，底棲式AUV需要具備良好的距海底面定高航行能力、抗干擾能力以及高精度的路徑跟蹤性能，即設計有效的運動控制律，使可底棲式AUV能夠實現從初始狀態跟蹤設定軌跡并完成規定任務，并在較短時間內保證跟蹤位置誤差的全局一致漸進穩定，進而實現在指定區域的高精度快速部署作業需求。目前常見的AUV控制方法通常是針對外界擾動設計魯棒控制器或用神經網絡逼近系統的總干擾。但是，此類方法的控制精度有限，且調整速度較慢，應用在可底棲式AUV這一類工作環境較惡劣，對軌跡跟蹤精度要求高，需要快速對外界干擾做出反應的AUV上時，難以實現有限時間高精度軌跡跟蹤控制。

發明內容

本發明的目的是為解決將目前的控制方法應用到可底棲式AUV時存在的控制精度有限，且調整速度慢的問題，而提出了一種可底棲式AUV的水平面軌跡快速跟蹤控制方法。

本發明為解決上述技術問題所采取的技術方案是：一種可底棲式AUV的水平面軌跡快速跟蹤控制方法，所述方法具體包括以下步驟：

步驟一、將模型不確定性和海流擾動考慮為一個擾動集總項τ′_d，建立考慮擾動集總項的可底棲式AUV的運動學與動力學方程；

步驟二、基于步驟一建立的運動學與動力學方程，利用反步控制方法建立軌跡跟蹤的誤差系統；

步驟三、根據步驟二建立的軌跡跟蹤誤差系統設計滑模干擾觀測器，利用設計的滑模干擾觀測器對擾動集總項τ′_d進行逼近，獲得擾動集總項τ′_d的觀測值；

步驟四、采用徑向基函數神經網絡對擾動集總項的觀測誤差進行估計，獲得觀測誤差的估計值；

步驟五、根據擾動集總項τ′_d的觀測值以及觀測誤差的估計值來設計控制器，使可底棲式AUV的位姿在有限時間內跟蹤期望值，且跟蹤誤差在有限時間內收斂。

本發明的有益效果是：本發明提出了一種可底棲式AUV的水平面軌跡快速跟蹤控制方法，本發明將海流擾動、模型不確定性組合為擾動集總項，使用有限時間擾動觀測器逼近擾動集總項值，并引入神經網絡估計觀測誤差。進而提出一種基于有限時間擾動觀測器的自適應神經網絡反步控制器，來實現對可底棲式AUV的有限時間高精度軌跡跟蹤控制。