[發明專利]一種基于新型誤差變換的AUV預設性能軌跡跟蹤控制方法

有效

• 申請號: 202110181019.0
• 申請日: 2021-02-08
• 公開（公告）號: CN113009826B
• 公開（公告）日: 2021-11-30
• 發明（設計）人: 孫延超;杜雨桐;張宇昂;曹禹;秦洪德;武文驥;馮琳森
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 時起磊

1.一種基于新型誤差變換的AUV預設性能軌跡跟蹤控制方法，其特征在于，包括：

步驟一、根據AUV的控制力和力矩τ，得到AUV推力器故障影響下的實際的控制力和力矩τ+△τ，其中，△τ表示推進器故障對控制力與力矩的影響；具體過程為：

AUV的控制力和力矩τ為：

τ＝B(v)u (1)

其中，B(v)表示水下機器人推力分配矩陣，B(v)∈R^6×6，R表示實數；u表示控制輸入矢量；

用推力分配矩陣變化量表示推力器故障的影響，記為△B，故實際的控制力和力矩為τ+△τ，即：

τ+△τ＝(B₀-KB)u＝(B₀+△B)u (2)

其中，△τ表示推進器故障對控制力與力矩的影響；B₀表示水下機器人初始推力分配矩陣；u表示控制輸入矢量；K為對角矩陣；

步驟二、建立改進的性能函數ρ(t)，通過改進的性能函數ρ(t)確定軌跡跟蹤誤差e(t)的上下界；具體過程為：

建立改進的性能函數ρ(t)，表示為：

其中，ρ₀表示初始值；ρ₀＝ρ(0)；ρ_∞表示穩態時跟蹤誤差的最大允許值；T₀表示預先設定的收斂時間；t表示時間；

基于改進的性能函數ρ(t)對AUV預設性能控制器進行進一步約束，利用的約束不等式為：

P_l(t)e(t)P_r(t) (4)

其中，e(t)表示軌跡跟蹤誤差；P_l(t)表示軌跡跟蹤誤差的下界；P_r(t)表示軌跡跟蹤誤差的上界；

所述誤差上界P_r(t)和誤差下界P_l(t)的定義如下：

其中，δ₁和δ₂為設計參數，0≤δ₁≤1，0≤δ₂≤1；sign代表符號函數；e(0)為跟蹤誤差初值；

步驟三、根據確定的軌跡跟蹤誤差的上下界，得到轉換后的誤差ε(t)；

步驟四、基于轉換后的誤差ε(t)設計虛擬控制器α；

步驟五、基于虛擬控制器α設計預設性能跟蹤控制器。

2.根據權利要求1所述一種基于新型誤差變換的AUV預設性能軌跡跟蹤控制方法，其特征在于，所述步驟三通過確定的軌跡跟蹤誤差的上下界，得到轉換后的誤差ε(t)；具體過程為：

定義轉換后的誤差為ε(t)，表示為：

ε(t)＝tan(πθ(t)) (6)

其中，。

3.根據權利要求2所述一種基于新型誤差變換的AUV預設性能軌跡跟蹤控制方法，其特征在于，所述步驟四基于轉換后的誤差ε(t)設計虛擬控制器α；具體過程為：

通過AUV模型得到跟蹤誤差e(t)的導數為：

其中，v表示運動坐標系下的速度與角速度；

轉換后誤差ε(t)對時間t求導得：

其中，

對上式進行整理，得：

李雅普諾夫函數表示為：

其中，z＝v-α，α為虛擬控制器；

李雅普諾夫函數V₁對時間t求導有：

其中，為P_r(t)的一階導數；為P_l的一階導數；J(η)表示慣性坐標系和運動坐標系之間的坐標轉換矩陣；表示η_d的一階導數；

則虛擬控制器設計為：

4.根據權利要求3所述一種基于新型誤差變換的AUV預設性能軌跡跟蹤控制方法，其特征在于，所述步驟五基于虛擬控制器α設計預設性能跟蹤控制器；具體過程為：

李雅普諾夫函數V₂對時間t求導有：

AUV的預設性能控制器設計為：

其中，z＝v-α，α為虛擬控制律，c₂為待設計的控制參數；M表示慣性矩陣；C(v)表示向心力矩陣；D(v)表示水阻尼矩陣；g(η)表示恢復力和力矩。