[发明专利]一种过驱动AUV执行机构切换控制方法

权利要求书

1.一种过驱动AUV执行机构切换控制方法，其特征在于：步骤如下：

步骤1：根据AUV的水动力系数，建立AUV相对于随体坐标系的进退、升沉、俯仰的运动方程；

步骤2：找到主要状态变量，由进退、升沉、俯仰的运动学方程和动力学方程推导成为状态空间模型，并且根据控制器的采样速率将状态空间模型离散化得到增广状态空间模型；

步骤3：根据增广状态空间模型定义二次项形式的代价函数，代价函数是控制器设定值和未来系统轨迹之间的误差与控制输入未来变化幅度之和；

步骤4：分别设定高速与低速的速度区间，并在分界处设定过渡速度区间，将高速时的执行机构设为主推和舵翼，将低速时的执行机构设为主推和垂推，过渡区域执行机构设为主推、垂推和舵翼，在过渡区域为舵翼角度和垂推推力设定一个软约束，使推力和舵角在过渡区间内平滑过渡；

步骤5：使代价函数最小化解得控制输入并作用在系统上，得到的AUV的速度、纵倾、深度信息；

步骤6：步骤5得到的位姿信息作为反馈，判断是否满足控制指令：若满足，控制结束；若不满足，将位姿信息提供给状态空间模型和代价函数，得到预测轨迹，执行步骤5，直至满足控制指令。

2.根据权利要求1所述的一种过驱动AUV执行机构切换控制方法，其特征在于：步骤1具体为：

AUV相对于随体坐标系的进退，升沉、俯仰的运动学方程是：

动力学方程是：

其中：x和z分别是大地坐标系下的纵向速度和垂向速度，θ是AUV的纵倾角，q表示纵倾角速度，m是AUV的质量，I_y是艇体对于y轴的惯性矩；X_λ、Z_λ、X_f、Z_f是由u、w速度项引起的流体惯性力项与拖曳力项，X_r与Z_r是舵翼产生的拖曳力；M_q、M_h项是AUV水动力产生的旋转力矩与艇体力矩，M_r是舵翼产生的力矩；X_p、Z_Tf、Z_Tr项是尾部主推进器、首尾垂直槽道推进器推力；L_Tf、L_Tr是首尾垂直槽道推进器推力的力臂；G、代表艇体的重力与排水体积；g代表重力加速度；Δz代表他们的中心到Z轴的距离。

3.根据权利要求2所述的一种过驱动AUV执行机构切换控制方法，其特征在于：步骤2中，状态空间模型为：

其中：ρ是水的密度，带角标各项α和β分别是测得的与水动力相关的常数，δ为舵角；

将状态空间模型简化为：

其中：

将状态空间模型离散化得到增广状态模型：

其中，I为单位矩阵。

4.根据权利要求3所述的一种过驱动AUV执行机构切换控制方法，其特征在于：步骤3中：二次项形式的代价函数由增广状态空间模型定义，对于一个给定的预设值r(k_i)，在样本时间k_i内，在预测空间内,预测控制系统的目标，是将预测的输出端尽可能接近预设值，假设预设值在优化窗口中保持不变，N_P与Nc分别为预测步长与控制步长，则以N_P为长度的，包含预设值的矢量为：

定义代价函数J以反映控制目标：

式中：U是控制输出，是一个对角矩阵，r_w≥0，r_w是惩罚因子。