[发明专利]一种基于虚拟锚泊的欠驱动AUV三维控制区域镇定控制方法

说明书

本发明公开了一种基于虚拟锚泊的欠驱动AUV三维控制区域镇定控制方法，属于无人水下机器人运动控制技术领域，包含以下步骤：建立AUV六自由度运动学方程，AUV六自由度动力学方程；建立欠驱动AUV的相对速度和相对加速度的方程；对欠驱动水下机器人进行受力分析；通过改进的静态悬链线方程表示悬链曲线张力水平分力方程和垂直分力方程；求解水下机器人所受到的悬链曲线张力水平分力和垂直分力；对悬链曲线张力水平分力和悬链曲线张力垂直分力进行分解：将纵向力、转艏力矩和俯仰力矩分配到AUV的执行器。本发明不依赖于模型，控制算法结构较为简单，并且能够让欠驱动AUV在强干扰环境下实现抵抗海流的目标，抗干扰能力强，具有很强的实际应用前景。

技术领域

本发明属于无人水下机器人运动控制技术领域，尤其涉及一种基于虚拟锚泊的欠驱动AUV三维控制区域镇定控制方法。

背景技术

欠驱动AUV是指独立控制输入维数少于系统自由度的水下机器人，其最大的特点在于用较少的推进器控制多自由度的运动方向，它是我国实施深海资源开发战略不可或缺的重大技术装备之一。相比较全驱动AUV，欠驱动AUV的优势在于：(1)，欠驱动水下机器人在成本方面有所降低，多推进装置的配置不仅代表了设备成本的提高，也使得对于水下机器人的能源消耗的大幅增加，同时也加重了机器人的重量。(2)在水下机器人的纵向航速不断增加的情况，全驱动水下机器人的侧向推进器和垂向推进器的产生推力的作用将越来越弱，甚至消失。当全驱动水下机器人的摸个推进器出现故障，无法正常工作时，水下机器人将由全驱动变为欠驱动，需要通过欠驱动控制算法对水下机器人进行有效控制，这也是控制系统可靠性的要求。(3)仅仅针对增加系统可靠性而单纯增加推进器在个自由度方向上的布置数量，并不是很符合经济性，通过用较少的执行机构同样能够达到期望的控制要求。这也是研究欠驱动系统最本质的意义。

欠驱动AUV的镇定控制是实现欠驱动AUV控制系统在水下复杂环境的精确定位的关键技术之一，也是欠驱动AUV在水下干扰情况下的水下稳定对接的极为重要保证之一。在欠驱动水下机器人的镇定控制当中，机器人的位置和姿态都要达到收敛状态，其控制难度大大增加，对于理论探索和发展的重要性使得欠驱动水下机器人的镇定控制问题成为国内学者研究的重点。目前对于欠驱动系统都是基于系统运动学模型(以速度为输入)，采用非线性状态反馈的思想对其进行镇定，主要方法有齐次方法,σ变换法和反步法。不足之处在于：(1)这些研究都是基于系统无干扰且为无漂非完整约束系统；(2)在环境干扰强烈的实际海洋环境中稳定性无法保证；(3)在欠驱动AUV的实际应用几乎没有；(4)一些抗干扰能力强的镇定算法也无法完全摆脱模型的依赖。

发明内容

本发明的目的在于公开抗干扰能力强，速度快的一种基于虚拟锚泊的欠驱动AUV三维控制区域镇定控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于虚拟锚泊的欠驱动AUV三维控制区域镇定控制方法，包含如下步骤：

步骤(1)：建立AUV六自由度运动学方程，AUV六自由度动力学方程；

建立欠驱动AUV的六自由度运动方程:

上式中，M为质量矩阵，V为AUV在随艇坐标系的速度向量，C(V)为科氏向心力矩阵，D(V)为流体阻尼矩阵，g(η)为重力和浮力产生的恢复力或力矩矩阵，τ为执行机构产生的力或力矩。

在三维空间，执行机构产生的力或力矩向量可表示为：

τ＝[X N M]^T；

AUV六自由度运动学方程表示为:

上式中，ν为AUV的横向速度。x是x轴方向的坐标，y是y轴方向的坐标，z是z轴方向的坐标，ψ为艏向角，θ为纵倾角，φ是前向角，u是AUV的纵向速度，v是AUV的横向速度，w是AUV的前向速度。