[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

本發明涉及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，屬于自動控制技術領域。包括：獲取自身姿態及角速度、參考姿態角；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；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；基于動態逆的方法求解舵的控制輸入。本發明通過對舵的死區和飽和特性的處理，使得原本控制輸入處于飽和或死區下轉換為相應的理想輸入值，使得控制器的精度更高，可以更好的發揮控制器的性能。

技術領域

本發明屬于自動控制技術領域，涉及一種欠驅動自主水下航行器運動控制過程中，舵的非線性特性處理。

背景技術

自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)具有體積小、機動能力強、智能性強、隱蔽性高、作業安全性高等優點，不需要人為干預和大型的水面支持便可完成海洋監測、海洋考古和水下作業等任務。

相比于無人船和水面艦艇，AUV的動力學系統更為復雜，具有非線性、時變性等特征。由于海洋環境復雜，AUV在水下航行期間可能會受到洋流、浪涌等干擾。近年來，國內外專家關于運動控制方面開展了較為詳細的研究，致力于提升AUV的可操縱性、穩定性、魯棒性等。

現有的欠驅動水下航行器控制方法大部分沒有考慮舵的非線性特性，或僅通過直接限幅來解決飽和特性，這種控制方式在工程實踐中會造成對舵機和機械結構的損傷。部分研究人員考慮了水下航行器控制的舵飽和特性或死區特性，但并沒有同時考慮兩者。

發明內容

要解決的技術問題

為了避免現有技術的不足之處，同時考慮水下航行器的舵的飽和及死區特性，使得控制精度更高、經濟性和安全性更好，本發明提供了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。

技術方案

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?？刂破?、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。

本發明進一步的技術方案：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。

本發明進一步的技術方案：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,ζ_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