[發明專利]水下自主航行器深度和縱向解耦控制方法及系統

有效

• 申請號: 202110324567.4
• 申請日: 2021-03-26
• 公開（公告）號: CN113050666B
• 公開（公告）日: 2022-05-03
• 發明（設計）人: 邊有鋼;張俊杰;徐彪;秦兆博;秦洪懋;秦曉輝;謝國濤;王曉偉;胡滿江;李崇康;丁榮軍
• 申請（專利權）人: 湖南大學
• 主分類號: G05D1/06
• 分類號: G05D1/06
• 代理公司: 北京匯智勝知識產權代理事務所(普通合伙) 11346
• 代理人: 趙立軍;石輝

1.一種基于模型預測控制的水下自主航行器深度和縱向解耦控制方法，其特征在于，包括建模步驟S0，所述建模步驟S0對水下自主航行器進行動力學建模，使得所述模型符合水下自主航行器的動力學特性，且適于采用于模型預測控制，所述建模步驟S0具體包括：

步驟S01，對于水下自主航行器建立深度和縱向速度耦合的系統模型如下：

各符號表示的意義如下：

z——深度；

u——縱向速度；

θ——俯仰角；

q——俯仰角速度；

X_|u|u——計算流體阻力的系統水動力系數；

——計算橫向慣性力矩的加速度水動力系數；

——計算縱向慣性力的加速度水動力系數；

M_q——俯仰角速度水動力系數；

X_wq——垂向速度俯仰角速度水動力系數；

M_w——垂向速度水動力系數；

——舵角水動力系數；

I_y——沿橫向軸的轉動慣量；

z_g——重心在垂直方向的位置；

z_b——浮力中心在垂直方向的位置；

W——重力；

B——浮力；

δ_s——與深度控制相關的舵角，即垂直舵角；

T——縱向推力；

m——水下自主航行器的質量；

步驟S02，將上述系統模型分解為縱向速度控制子系統模型和深度控制子系統模型，

縱向速度控制子系統模型為：

深度控制子系統模型為：

步驟S03，確定水下自主航行器系統狀態向量y、水下自主航行器的深度控制子系統狀態向量x，水下自主航行器的速度控制子系統狀態向量u，

其中，水下自主航行器的系統狀態向量y＝[z,θ,q,u]，

水下自主航行器的深度控制子系統狀態向量x＝[z,θ,q]，

水下自主航行器的速度控制子系統狀態向量u＝[u]，

用x(k)，y(k)，u(k)分別表示上述狀態向量在任意離散時刻k的值，

步驟S04，用采樣時間Δt離散化上述狀態向量，步驟S04包括下述步驟：

步驟S041，將深度控制子系統狀態向量用采樣時間Δt離散化，得到：

即：x(k+1)＝f[x(k),u(k),δ_s(k)]，

步驟S042，將速度控制子系統狀態向量用采樣時間Δt離散化，得到：

即：u(k+1)＝g[x(k),u(k),T(k)]，

步驟S043，將系統狀態向量用采樣時間Δt離散化，得到：

即：y(k+1)＝h[x(k),u(k),δ_s(k),T(k)]。

2.如權利要求1所述的基于模型預測控制的水下自主航行器深度和縱向解耦控制方法，其特征在于，利用建模步驟S0中建立的模型以及離散化的狀態向量表達式，對解耦的縱向速度控制子系統模型和深度控制子系統模型，分別以舵角δ_s和縱向推力T為控制輸入量，構建優化問題，分別獲取舵角δ_s和縱向推力T的最優控制輸入，并以所述最優控制輸入控制水下自主航行器。