[发明专利]UUV四自由度动力定位自适应抗扰滑模控制系统及控制方法

说明书

本发明公开了一种UUV四自由度动力定位自适应抗扰滑模控制系统及控制方法。包括第一微分器、第二微分器、自适应抗扰滑模控制器、滤波和数据融合单元、多普勒传感器、电罗经、推力分配单元、UUV、加速度计和陀螺仪。自适应抗扰滑模控制器包括滑模控制器、自适应扰动补偿控制器和数据处理单元。滑模控制器用于实现UUV四自由度动力定位的变结构控制，消除位姿误差。自适应扰动补偿控制器则用于在线估计实际被控对象模型的不确定性误差和海浪扰动作用。本发明改善系统状态趋近滑模面的动态过程，提高稳态抗扰性能。因此与普通滑模控制方法相比具有更好的动态性能并减小了扰动作用下系统的抖震。

技术领域

本发明属于UUV自动控制领域，尤其涉及一种能够将滑模控制和自适应控制相结合的，UUV四自由度动力定位自适应抗扰滑模控制系统及控制方法。

背景技术

随着水下无人航行器技术的发展，水下无人航行器(UUV)的功能日益强大。UUV在近水面作业时，其本体要求稳定地保持一定的位置和姿态，为保证任务模块正常工作提供较稳定的位姿基础。然而由于海洋环境复杂多变，海浪及海流对近水面作业的UUV产生不确定性扰动作用，加之UUV动力学模型具有很强的耦合性和非线性，使UUV近水面作业动力定位控制面临很大困难。目前在船舶动力定位控制领域常用的控制方法为PID控制，该方法设计简单且行之有效，但在实际应用中，由于被控对象模型参数摄动，模型非线性特性等因素导致PID控制的性能下降，在海浪未知干扰力的作用下会产生较大幅度的摇动。很难满足近水面作业时的位姿稳定性要求。Nguyen等设计了一种用于ROV定位的自适应PD控制方法。其中，自适应律对扰动和不确定量进行估计，将该估计值叠加到PD控制器的输出端，有效削弱了扰动和不确定量的影响。此外，自适应控制，模糊控制和神经网络在动力定位领域也有广泛应用，Morishita等将Fossen和Strand设计的观测器和反推控制器相结合提出了一种改进的动力定位控制策略。杜佳璐等利用RBF神经网络在线学习船体运动数学模型并利用，利用李亚普诺夫方法证明了该方法可使系统偏差稳定收敛。Wallace M.Bessa等提出了一种用于ROV控制的模糊滑模控制器，相比于他之前提出的ROV深度控制方法，该方法的跟踪误差矢量有更小的收敛域。

滑模变结构控制是一种特殊的非线性控制，其特点是根据系统的状态实现切换控制，迫使系统按照滑动模态运动，是一种对系统参数摄动不灵敏的非线性控制。UUV在动力定位过程中会受到海浪扰动作用，滑模控制器需要有更大的切换增益来维持系统稳定，然而这样却加剧了系统的抖震。对现有的技术文献检索发现，KAWAMURA A等人设计了一种全新的观测器观测外界干扰和模型不确定性误差，并进行前馈补偿控制，有效地降低了系统抖震。但观测器的设计过程复杂，对模型的依赖程度大，对于模型不确定性较大的系统观测器的估计精度不高。G.R.Ansarifar等针对非最小相位系统设计了一种具有动态滑模面的滑模控制器，基于李亚普诺夫方法的自适应律在线估计系统参数。并利用该参数使滑模面具有期望的运动规律。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有抗扰性能的UUV四自由度动力定位自适应抗扰滑模控制系统，本发明的目的还包括提供一种具有强稳定性的UUV四自由度动力定位自适应抗扰滑模控制方法。

UUV四自由度动力定位自适应抗扰滑模控制系统，包括第一微分器、第二微分器、自适应抗扰滑模控制器、滤波和数据融合单元、多普勒传感器、电罗经、推力分配单元、UUV、加速度计和陀螺仪；

多普勒传感器采集UUV的横荡、纵荡和升沉速度，分别传送给滤波和数据融合单元和自适应抗扰滑模控制器；

电罗经采集UUV的艏向角速度，分别传送给滤波和数据融合单元和自适应抗扰滑模控制器；

滤波和数据融合单元根据接收到的信息，计算出世界坐标系下的四自由度位姿矢量和四自由度速度矢量传送给自适应抗扰滑模控制器；