[发明专利]一种水下机器人的垂直面控制方法

说明书

本发明涉及一种水下机器人的垂直面控制方法，包括深度串级控制和纵倾角串级控制；所述深度串级控制和纵倾角串级控制均采用两个一阶自抗扰控制器：外环一阶自抗扰控制器和内环一阶自抗扰控制器；所述深度串级控制包括以下步骤：将深度作为反馈信号传送给外环一阶自抗扰控制器，输出值作为垂向速度控制内环的给定值，然后通过内环一阶自抗扰控制器得到垂直控制力；所述纵倾角串级控制包括以下步骤：将纵倾角作为反馈信号传送给外环一阶自抗扰控制器，输出值作为纵倾角速率控制内环的给定值，然后通过内环一阶自抗扰控制器得到垂直控制力矩；将垂直控制力和垂直控制力矩作用于水下机器人。本发明可增加水下机器人的抗干扰能力，减弱水中控制存在滞后性的影响，实现水下机器人在垂直面上快速稳定的控制。

技术领域

本发明涉及一种水下机器人的垂直面控制方法，属于水下机器人控制技术领域。

背景技术

水下机器人是一种集时变、耦合、时延的非线性复杂系统。由于作业环境中存在的风、浪涌、流等恶劣的外在影响因素及难以得到精确的运动学模型的内在因素，使得水下机器人的控制变得困难重重。水下机器人的垂直面运动是空间运动中非常普遍而重要的一环，常用于航行、上浮下潜、悬停等，因此具有显著的应用价值和研究意义。

水下机器人常用的控制方法比例-积分-微分(PID)控制，具有简单易用的特点，但在存在明显滞后、干扰强烈的环境下，控制精度和鲁棒性受到较大影响。随着水下机器人控制需求的日益增长，许多先进的控制方法应用到水下机器人的控制中，例如鲁棒控制、滑模变结构控制、神经网络控制、自抗扰控制等。鲁棒控制主要用于处理内部不确定性，对外部的抗干扰能力不强；滑模变结构控制能处理内外部的干扰，但较难彻底去除高频抖振现象；神经网络控制在工程实现上较为复杂，控制过程中存在滞后；自抗扰控制利用扩张状态观测器将系统内外部扰动统一为总扰动进行观测估计，并进行实时补偿，且工程实现上简单易行。串级控制通过内环的快速控制具有较强的抗干扰能力，同时也能减弱滞后的影响。将串级控制和自抗扰控制技术相结合能发挥各自优势，大大提高控制的快速性、稳态性能及抗扰能力。

因此，研究实用工程化的水下机器人垂直面控制方法，提高水下机器人的控制精度和抗干扰能力，是当前水下机器人运动控制中的一个重要热点问题。

发明内容

本发明针对传统控制方法的弱点，提出了一种基于自抗扰控制技术和串级控制的水下机器人的垂直面控制方法，可实现快速、平滑、超调小的垂直面控制，提高了深度和纵倾角的动态性能和稳态性能。

本发明解决其问题所采用的技术方案如下：一种水下机器人的垂直面控制方法，所述垂直面控制包括深度串级控制和纵倾角串级控制；

所述深度串级控制和纵倾角串级控制均采用两个一阶自抗扰控制器：外环一阶自抗扰控制器和内环一阶自抗扰控制器；

所述深度串级控制包括以下步骤：将深度作为反馈信号传送给外环一阶自抗扰控制器，输出值作为垂向速度控制内环的给定值，然后通过内环一阶自抗扰控制器得到垂直控制力；

所述纵倾角串级控制包括以下步骤：将纵倾角作为反馈信号传送给外环一阶自抗扰控制器，输出值作为纵倾角速率控制内环的给定值，然后通过内环一阶自抗扰控制器得到垂直控制力矩；

将垂直控制力和垂直控制力矩作用于水下机器人。

所述外环一阶自抗扰控制器采用离散方程形式，设计如下：

其中，