[發(fā)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

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• 申請日: 2021-02-08
• 公開（公告）號: CN113009826B
• 公開（公告）日: 2021-11-30
• 發(fā)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(quán)）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

一種基于新型誤差變換的AUV預設性能軌跡跟蹤控制方法，屬于水下機器人軌跡跟蹤控制領(lǐng)域。本發(fā)明是為了解決傳統(tǒng)預設性能控制方法引入的性能函數(shù)參數(shù)和實際誤差收斂速率沒有明確的數(shù)學關(guān)系，而導致誤差收斂時間不確定且超調(diào)較大的問題。本發(fā)明所述方法包括：根據(jù)AUV的控制力和力矩，得到AUV推力器故障影響下的實際的控制力和力矩；建立改進的性能函數(shù)，通過改進的性能函數(shù)確定軌跡跟蹤誤差的上下界；根據(jù)確定的軌跡跟蹤誤差的上下界，得到轉(zhuǎn)換后的誤差；基于轉(zhuǎn)換后的誤差設計虛擬控制器；基于虛擬控制器設計預設性能跟蹤控制器。本發(fā)明用于AUV的軌跡跟蹤控制。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于新型誤差變換的AUV預設性能軌跡跟蹤控制方法。屬于水下機器人軌跡跟蹤控制領(lǐng)域。

背景技術(shù)

近年來，自主式水下航行器(Autonomous underwater vehicle，AUV)在海洋環(huán)境觀測、軍事情報搜集等研究領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應用。隨著海洋開發(fā)力度的增強，AUV的應用逐漸從觀測向輕度作業(yè)拓展。例如水下基礎設施的檢查、深海油氣勘探等等。水下機器人的控制系統(tǒng)就相當于是AUV的“大腦”，是AUV研究中的關(guān)鍵。為了能夠?qū)崿F(xiàn)水下機器人更高精度的軌跡跟蹤控制，一種名為預設性能的控制方法逐漸被用于水下機器人控制系統(tǒng)的設計。

神經(jīng)網(wǎng)絡多用于處理AUV模型不確定性或未知的外部擾動問題，使用神經(jīng)網(wǎng)絡估計上述擾動，通過運用一些常用的控制方法，如PID控制、滑模控制、反步控制、自適應控制等，從而獲得相對較好的控制方案。如文獻[李金林.水下機器人—機械手結(jié)構(gòu)設計及自適應神經(jīng)網(wǎng)絡控制研究[D].哈爾濱工程大學,2018.]對一種具有雙關(guān)節(jié)的小型水下電動機械手進行了研制，并針對該機械手設計了一種自適應控制與神經(jīng)網(wǎng)絡控制相結(jié)合的方法。但此方案因為計算量過大而無法滿足系統(tǒng)快速性的要求。

文獻[Yana Yang,Chao Ge,Hong Wang,Xiaoyi Li,Changchun Hua.Adaptiveneural network based prescribed performance control for teleoperation systemunder input saturation[J].Journal of the Franklin Institute,2015,352(5).]在存在系統(tǒng)不確定性以及存在外部干擾的情況下，設計了基于相應的自適應控制與神經(jīng)網(wǎng)絡控制相結(jié)合的預設性能控制方案，并將該方案與PD(比例加微分)控制器進行了仿真比較，從而證明了該預設性能控制方法的有效性。文獻[Zeyang Yin,Jianjun Luo,CaishengWei.Quasi fixed-time fault-tolerant control for nonlinear mechanical systemswith enhanced performance[J].Applied Mathematics and Computation,2019,352.]研究了一種十分新穎的采用準定時的預設性能控制方法，發(fā)現(xiàn)其具有固定的收斂時間可以預先進行指定的突出優(yōu)點。文獻[Charalampos P.Bechlioulis,George A.Rovithakis.Alow-complexity global approximation-free control scheme with prescribedperformance for unknown pure feedback systems[J].Automatica,2014,50(4).]針對未知的純反饋系統(tǒng)，使用預設性能控制方法進行了控制器設計，提出了一種通用的無近似狀態(tài)的反饋控制方案。該方案能夠使輸出的誤差收斂到預設的任意小值，并且避免了傳統(tǒng)反步法帶來的復雜性問題。但上述方案沒有考慮控制的超調(diào)問題，且設計的性能函數(shù)的參數(shù)和實際的誤差收斂速率之間較難建立一個明確的數(shù)學關(guān)系。

傳統(tǒng)的預設性能控制方法存在一定缺陷，其引入的性能函數(shù)通常采用普通的指數(shù)收斂形式，導致設計的性能函數(shù)的參數(shù)和實際的誤差收斂速率之間較難建立一個明確的數(shù)學關(guān)系，誤差收斂時間不宜確定，且超調(diào)較大。

發(fā)明內(nèi)容