[发明专利]考虑推进器输出饱和的海底飞行节点预设性能轨迹跟踪控制方法

说明书

考虑推进器输出饱和的海底飞行节点预设性能轨迹跟踪控制方法，本发明涉及海底飞行节点预设性能轨迹跟踪控制方法。本发明为了解决现有技术没有同时考虑海流扰动、建模不确定性、推进器故障与推进器输出饱和等影响因素的问题。本发明包括：一：建立Fossen大纲六自由度非线性动力学模型；二：得到OBFN的动力学模型，根据OBFN的动力学模型确定OBFN的跟踪误差方程；三：建立性能函数；四：将步骤三的跟踪误差进行误差变换，得到变换后的误差s；五：引入推进器输出饱和，确定用于处理推进器输出饱和的辅助系统；六：设计OBFN系统总不确定性观测器与预设性能轨迹跟踪控制器。本发明用于轨迹跟踪控制领域。

技术领域

本发明涉及海底飞行节点预设性能轨迹跟踪控制方法。

背景技术

深海蕴藏地球上远未认知和开发的宝藏，要获取这些宝藏，必须在深海进入、深海探测、深海开发等方面掌握关键技术。自主式水下航行器(Autonomous underwatervehicle，AUV)正是突破这方面的核心共性关键技术。海底节点地震数据采集技术(Oceanbottom node，OBN)是一种常见海底地震石油勘探方法。但是，现有的OBN自身无动力，布放回收效率低，难以满足大规模组网布放需要。在此背景下，海底飞行节点(Ocean bottomflying node，OBFN)的概念应运而生。OBFN是将OBN技术和AUV相结合，其继承了OBN采集信号质量好、定位精度高等优点，可在母船释放后自主航行至海底指定位置，长期部署于海底采集地震数据，并在作业完成后自主航行至指定海域统一回收。一种半开架式的OBFN模型，如图1-图3所示。该方案采用了8个推进器的过驱动模型，用于抵抗海流实现动力定位以及精确降落于海床表面。此外，过驱动模型提升了整体方案的可靠性，避免某个推进器故障造成严重的影响。

由于海洋油气资源勘探通常需要大量的OBFN自主布放在海底指定位置，因此，不仅需要克服复杂海洋环境造成扰动，跟踪期望的轨迹完成部署，还需要控制轨迹跟踪误差的收敛过程，避免在大规模部署中出现OBFN之间相互碰撞等情况。

建模不确定性、海流扰动和推进器输出饱和是AUV控制中常见的影响因素，OBFN作为一种特殊的AUV，在为其设计轨迹跟踪控制策略时，也需要考虑上述因素对控制精度造成的影响。此外，由于水下环境的复杂性，OBFN在作业过程中可能发生故障。其中推进器故障发生频率最高，因此，在控制策略中考虑推进器故障问题具有一定的价值。

现有的AUV轨迹跟踪方面的文献的研究思路主要是分别针对海流扰动、建模不确定性、推进器输出饱和与推进器故障给出了独立的解决方法，或是为推进器故障单独设计一套故障诊断处理模型，再设计其他的控制算法处理AUV的建模不确定性和海洋环境的扰动影响，其处理过程过于复杂。

传统的预设性能方法均采用一种指数收敛形式的性能函数，这种形式令性能函数的参数与实际的收敛速率之间难以建立明确的数学关系，且性能函数参数的选取缺乏一个合理的规则。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术没有同时考虑海流扰动、建模不确定性、推进器故障与推进器输出饱和等影响因素的问题，而提出一种考虑推进器输出饱和的海底飞行节点预设性能轨迹跟踪控制方法。

考虑推进器输出饱和的海底飞行节点预设性能轨迹跟踪控制方法包括以下步骤：

步骤一：建立Fossen大纲六自由度非线性动力学模型；

步骤二：对步骤一建立的Fossen大纲六自由度非线性动力学模型进行OBFN的动力学模型变换，得到OBFN的动力学模型，根据OBFN的动力学模型确定OBFN的跟踪误差方程；所述OBFN为海底飞行节点；

所述OBFN的动力学模型为：