[發明專利]一種考慮舵的飽和及死區特性的自主水下航行器控制方法

在審

• 申請號: 202210530091.4
• 申請日: 2022-05-16
• 公開（公告）號: CN115016465A
• 公開（公告）日: 2022-09-06
• 發明（設計）人: 高劍;宋保維;潘光;張福斌;王鵬;陳依民
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 西安凱多思知識產權代理事務所(普通合伙) 61290
• 代理人: 劉新瓊

1.一種考慮舵的飽和及死區特性的自主水下航行器控制方法，其特征在于步驟如下：

S1：獲取自身姿態及角速度、參考姿態角；

S2：將參考姿態角輸入命令濾波器，獲取參考軌跡，軌跡跟蹤誤差；

S3：設計期望的虛擬控制律，包括自適應滑模控制器、自適應神經網絡控制器、和自適應死區逆補償器，同時利用雙曲正切函數考慮舵的飽和特性；

S4：基于動態逆的方法求解舵的控制輸入。

2.根據權利要求1所述考慮舵的飽和及死區特性的自主水下航行器控制方法，其特征在于S1具體為：通過AUV自身攜帶的姿態傳感器獲取姿態信息η₂及航行器角速度v₂；根據上位機下達的任務指令或視線導引法，獲取參考航向角ψ_d與參考俯仰角θ_d。

3.根據權利要求2所述考慮舵的飽和及死區特性的自主水下航行器控制方法，其特征在于S2具體為：定義如下命令濾波器

其中，A_d＝diag{ζ_r1ω_r1,ζ_r2ω_r2,ζ_r3ω_r3}是正定參數矩陣，ω_ri,是濾波器的固有頻率和阻尼比；參考軌跡由AUV的初始狀態來進行初始化，即η_2r(0)＝η₂(0)和v(0)為AUV在零時刻的速度，η_2r為平滑的參考軌跡；

軌跡跟蹤誤差定義為

其中，e_ψ e_θ分別為航向角跟蹤誤差、俯仰角跟蹤誤差、橫滾角跟蹤誤差；

經過一階命令濾波器后的誤差定義為

其中，Λ和K_a是正定常數增益向量，K_a的數值取決于相關的控制力系數和舵的限制；tanh是雙曲正切函數，是期望角速度作為姿態誤差的虛擬控制。

4.根據權利要求3所述考慮舵的飽和及死區特性的自主水下航行器控制方法，其特征在于S3具體為：基于近似動力學模型設計期望的加速度，如下式所示，使得系統向滑模面r＝0逼近

其中，為死區參數估計誤差，與死區輸入有關，自適應律為雅克比矩陣的轉置，d為不可參數化的死區估計殘差，為殘差上界的估計值，和為設計的正定參數；

u_as是自適應滑模控制器，定義如下

其中，K_s＝diag{K_s1,K_s2,K_s3}為對角正定矩陣，為自適應選擇系數，K_b為正定常數增益矩陣；符號函數sgn(r)定義為

其中，r₁,r₂,r₃為誤差r的元素，sgn(·)是標量符號函數；

設計如下的神經網絡來補償動力學模型的不確定性

其中，是W，V的估計矩陣；

相應的，估計誤差被定義為u_ar是魯棒信號，設計如下

其中，為兩個自適應控制參數，

5.根據權利要求4所述考慮舵的飽和及死區特性的自主水下航行器控制方法，其特征在于S4具體為：通過偽逆的方法，利用動力學模型的近似形式來計算舵δ的推力控制

其中，是的偽逆，且該逆一定存在，因為對于欠驅動水下航行器來說，是一個滿秩矩陣；是的逆函數；δ＝[δ_d δ_e δ_r]^T，分別為差動舵，水平舵，垂直舵；和為估計的系統參數和函數。

6.一種計算機系統，其特征在于包括：一個或多個處理器，計算機可讀存儲介質，用于存儲一個或多個程序，其中，當所述一個或多個程序被所述一個或多個處理器執行時，使得所述一個或多個處理器實現權利要求1所述的方法。