[發明專利]一種基于數據驅動的自主水下航行器軌跡跟蹤控制方法

在審

• 申請號: 202010784100.3
• 申請日: 2020-08-06
• 公開（公告）號: CN111880409A
• 公開（公告）日: 2020-11-03
• 發明（設計）人: 馬書根;李瀟涵;任超
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 李林娟

1.一種基于數據驅動的自主水下航行器軌跡跟蹤控制方法，其特征在于，所述方法采用雙閉環控制架構，包括：

基于運動學模型設計外環控制器，得到自主水下航行器在本體坐標系下的期望速度，用于內環控制器的設計；

對本體坐標系下動力學模型進行離散化處理、轉化，并給出AUV的動態線性化數據模型，得到離散化動力學模型與動態線性化數據模型的對應關系；

基于改進投影算法設計PJM估計器，實時估計動態線性化數據模型中的PJMΦ_c(k)，并給出PJM估計初值的直觀設計方法；

設計離散擴張狀態觀測器，觀測動態線性化數據模型中的總擾動增量項f(k)；

設計基于MFAC與PD控制算法相結合，實時補償ESO所觀測的系統模型估計誤差的內環控制器，實現對機器人本體坐標系下期望速度的跟蹤。

2.根據權利要求1所述的一種基于數據驅動的自主水下航行器軌跡跟蹤控制方法，其特征在于，所述基于運動學模型設計外環控制器具體為：

其中，v_d表示內環期望的AUV在本體坐標系下的速度，e_η(k)＝η_d(k)-η(k)，K_p1＝diag[k_p1,k_p1,k_p1]，K_d1＝diag[k_d1,k_d1,k_d1]。

η_d(k)為k時刻世界坐標系下AUV期望的位置和姿態向量，即軌跡追蹤的期望，ψ_d(k+1)為k+1時刻AUV期望的偏航角，η(k)為k時刻世界坐標系下AUV實際的位置和姿態向量，為k時刻世界坐標系下AUV期望的線速度和偏航角速度向量，J(ψ(k))為坐標轉換矩陣，v(k)為k時刻本體坐標系下AUV實際的線速度和偏航角速度向量，k_p1為外環控制器的比例控制增益，k_d1為外環控制器的微分控制增益，K_p1為外環控制器的比例控制增益矩陣，K_d1為外環控制器的微分控制增益矩陣，e_η(k)為k時刻的軌跡追蹤誤差。

3.根據權利要求1所述的一種基于數據驅動的自主水下航行器軌跡跟蹤控制方法，其特征在于，所述離散化動力學模型與動態線性化數據模型的對應關系為：

動態線性化數據模型中的PJMΦ_c(k)與AUV離散化動力學模型中的hM^-1近似對應，hM^-1是對角常數矩陣，Φ_c(k)滿足對角占優矩陣，且所有元素符號始終保持不變。

4.根據權利要求1所述的一種基于數據驅動的自主水下航行器軌跡跟蹤控制方法，其特征在于，所述給出PJM估計初值的直觀設計方法具體為：

將PJM估計初值設計為正定對角矩陣。

5.根據權利要求1所述的一種基于數據驅動的自主水下航行器軌跡跟蹤控制方法，其特征在于，所述設計離散擴張狀態觀測器，觀測動態線性化數據模型中的總擾動增量項f(k)具體為：

定義狀態變量z₁(k)＝v(k),z₂(k)＝f(k)，設計面向AUV動態線性化模型的變結構ESO的表達式為：

其中，為z₁(k)的估計值，為z₂(k)的估計值，v(k)表示AUV本體坐標系下的速度，f(k)為總擾動增量項，f(k)的估計值為為AUV系統PJMΦ_c(k)的估計矩陣，Δτ(k)為AUV控制輸入的變化量，h為控制系統采樣時間。一階觀測誤差二階觀測誤差β_i(i＝1,2)為變結構ESO的增益矩陣，具體設計為：

其中，ω_o為觀測器的帶寬，且ω_o＞0，hω_o＜2。

6.根據權利要求1所述的一種基于數據驅動的自主水下航行器軌跡跟蹤控制方法，其特征在于，所述基于MFAC與PD控制算法相結合，實時補償ESO所觀測的系統模型估計誤差的內環控制器具體為：

其中，τ(k)為控制輸入，為ESO實時觀測的系統總擾動增量項，ρ∈(0,1]為步長因子，λ＞0為權重因子，控制誤差e_v(k)＝v_d(k+1)-v(k)，控制增益設計為：

其中，k_p2為內環控制器的比例控制增益，k_d2為內環控制器的微分控制增益。