[发明专利]一种水下机器人自适应有限时间控制方法

说明书

本发明公开了一种水下机器人自适应有限时间控制方法，通过建立惯性坐标系下水下机器人系统模型，即水下机器人惯性坐标系下运动学模型，然后设计该水下机器人的扩张状态观测器，并且设计自适应有限时间控制器，从而完成水下机器人的控制。该方法通过设计自适应有限时间控制器对水下机器人进行控制，考虑系统的不确定性，该控制方法鲁棒性强，能够获得更高的控制精度以及更快的相应速度，便于工程实现。

技术领域

本发明涉及一种水下机器人控制方法，具体涉及一种水下机器人自适应有限时间控制方法。

背景技术

随着空间探测的不断深入，空间技术也得到了越来越多的发展，作为验证地面空间技术的必要步骤，微重力仿真技术受到国内外越来越多的广泛关注；水下机器人平台提供了一个稳定的微重力环境用来模拟空间中机械设备所处环境，同时，六自由度水下机器人结构之间的耦合性很强，模型的非线性也很高；此外，由于受到水流速度，以及水流粘性阻力等外部扰动的影响，导致比一般机械设备控制难度更高。

当前针对水下机器人的控制策略大多只能获得渐近稳定结果，而且鲁棒性能较差，而对于六自由度水下机器人的强耦合性，强非线性以及复杂的外部扰动，提高系统的鲁棒性能，控制精度以及响应速度具有十分重要的意义；为了进一步提高控制精度以及提高响应速度，同时提高系统的鲁棒性能，我们采用基于扩张状态观测器的自适应有限时间控制策略，来获得有限时间稳定结果。

对于传统的自抗扰控制策略，主要包括以下三部分：跟踪微分器，非线性反馈控制律以及扩张状态观测器。跟踪微分器能够合理安排过渡过程，产生给定信号的跟踪信号和微分信号。扩张状态观测器是自抗扰控制器的核心部分，其核心思想是把模型不确定性引起的内部扰动和环境引起的外部扰动都归结为系统的“总扰动”而进行实时估计并给予补偿。同时，非线性的自抗扰控制策略从控制性能上优于线性自抗扰控制方法，但是同样无法获得有限时间稳定结果。

目前或的有限时间稳定结果的控制方法主要有滑模控制方法，虽然滑模控制方法有很好的鲁棒性能，同时能够获得有限时间稳定结果提高控制精度，但是，滑模控制存在的高频抖动不仅破坏了系统的精确性，并且会增加系统能量消耗。另一方面控制律的不连续性同样会导致控制力矩的不连续性，从而影响系统性能。

发明内容

本发明提供了一种水下机器人自适应有限时间控制方法，通过设计自适应有限时间控制器对水下机器人进行控制，考虑系统的不确定性，该控制方法鲁棒性强，能够获得更高的控制精度以及更快的相应速度，便于工程实现。

本发明的技术方案是：一种水下机器人自适应有限时间控制方法，包括以下步骤：

步骤S1，建立水下机器人的动力学和运动学模型，并且建立其惯性系下运动学方程：

其中，D^*(v(t),η(t))η(t),g^*(η(t))是未知项，其中，M＝M_RB+M_AM，C(v(t))＝C_RB+C_AM，M_RB表示机体惯性矩阵，C_RB表示机体科里奥氏力矩阵，M_AM表示与机体相关的水流介质惯性矩阵，C_AM表示与机体相关的水流介质科里奥氏力矩阵，η(t)和v(t)分别表示体坐标系下机体位置和速度，D(v(t))是近似流体动力学参数，J(η(t))代表雅克比矩阵，g(η(t))为负浮力，τ_c(t)为控制力矩；

步骤S2，设计水下机器人的跟踪微分器为：其中η_d(t)为理想位置信号，s₁(t)跟踪理想位置信号η_d(t)，s₂(t)跟踪理想位置的微分信号κ和h₀是可调的正数；fhan()为非线性函数；

步骤S3，构建水下机器人的扩张状态观测器；