[发明专利]环境干扰下的水下无人航行器航迹跟踪动态面控制优化方法

说明书

技术领域

本发明涉及水下无人航行器航迹跟踪动态面控制优化方法。

背景技术

无人水下航行器(UUV)近年来成为各国研究的热门话题，被应用于水下作业的各种领域。无论是海洋军事领域还是日常海下应用作业，都离不开对于UUV的应用与控制，动态面控制技术能够有效避免“微分爆炸”现象，对于一类非线性系统，在系统模型已知的前提下，设计的控制器具有明显的优越性。但是在通常情况下，系统不能达到动态面控制技术对被控对象精确数学模型的要求，以及该系统抵抗扰动能力低。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有系统不能达到动态面控制技术对被控对象精确数学模型的要求，以及该系统抵抗扰动能力低的问题，而提出了环境干扰下的水下无人航行器航迹跟踪动态面控制优化方法。

上述的发明目的是通过以下技术方案实现的：

步骤一、建立UUV水平面数学模型；

步骤二、在UUV水平面数学模型的基础上进行动态面控制，得到UUV航迹跟踪控制律；

步骤三、在UUV航迹跟踪控制律的基础上对动态面控制进行改进，得出动态面自抗扰控制器。

发明效果

采用本发明的环境干扰下的水下无人航行器航迹跟踪动态面控制优化方法，将动态面和自抗扰各自的优势结合，并应用到UUV的水平面运动控制，利用自抗扰技术对被控系统进行标准化，将系统的不确定性或者扰动扩张成一维状态，对其进行观测，再利用动态面设计控制律，最后对该控制律进行相应补偿。设计了基于动态面自抗扰的UUV艏向控制器，自抗扰控制(ADRC)技术对被控系统的数学模型要求不高，只与系统的输入和输出有关。该控制技术根据系统的输入和输出可以实时估计系统的所有状态，包括扰动状态，并且具有标准自抗扰形式的系统也符合动态面控制技术的形式，将动态面控制技术和自抗扰控制技术结合，利用自抗扰控制技术实时估计系统的状态和系统的内外总扰动，在自抗扰的形式上设计动态面控制器，最后将系统内外扰动补偿到控制系统中。达到了动态面控制技术对被控对象精确数学模型的要求，增强了系统抵抗内外界扰动的能力，将抵抗扰动的能力提高30％-50％。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2a为动态面控制下的UUV跟踪误差图，——为动态面控制下的期望轨迹与实际航行轨迹误差，横坐标仿真时间单位为秒(s)，纵坐标为米(m)；

图2b为动态面控制下的UUV轨迹跟踪图，-----为期望航迹，——为实际航迹，横坐标Y为(m)，纵坐标X为米(m)；

图3a为改进算法后的UUV跟踪误差图，——为动态面自抗扰控制下的期望轨迹与实际航行轨迹误差，为动态面控制下的期望轨迹与实际航行轨迹误差，横坐标为时间，时间单位为秒(s)，纵坐标为航迹误差，航迹误差单位为米(m)；

图3b为改进算法后的UUV轨迹跟踪图，-----为期望航迹，——为动态面自抗扰控制下的实际航迹，为动态面控制下的实际航迹，横坐标Y为(m)，纵坐标X为米(m)。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，环境干扰下的水下无人航行器航迹跟踪动态面控制优化方法具体是按照以下步骤进行的：

步骤一、建立UUV水平面数学模型；

步骤二、在UUV水平面数学模型的基础上进行动态面控制，得到UUV航迹跟踪控制律；

步骤三、在UUV航迹跟踪控制律的基础上对动态面控制进行改进，得出动态面自抗扰控制器。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤一中建立UUV水平面数学模型；具体过程为：

(1)运动学方程的建立：

设UUV在大地坐标系下的重心位姿矩阵为η＝[x,y,ψ]^T，大地坐标系下的角速度矩阵为载体坐标系下角速度矩阵为V＝[u,v,r]^T；

根据大地坐标系与载体坐标系之间的转换关系，得出运动学方程：