[发明专利]基于ESO的水下机器人模糊PID运动控制方法

说明书

本发明所述的基于ESO的水下机器人模糊PID运动控制方法，提出基于ESO与PID模糊逻辑控制，以弥补现有的PID控制技术不能在复杂海洋环境下进行参数调整的不足，以及在外界环境干扰的情况下对水下航行器的运动姿态以及环境干扰的估计和补偿，最终实现水下航行器在复杂海洋环境下的运动姿态稳定。方法包括有以下阶段：(1)信息获取与需求分析；(2)系统状态预测和干扰补偿；(3)PID参数自调整与AUV运动控制。

技术领域

本发明涉及一种基于ESO的水下航行器模糊PID运动控制方法，属于模糊逻辑控制技术领域。

背景技术

自主水下航行器(AUV)是为科学家和研究人员提供简单、低成本、中长期、收集环境数据的工具，方便科学家进行水下动植物调查、危险水域作业、海底测绘、环境监测等任务。水下机器人具有结构的特殊性，以及工作环境的复杂性，这使得AUV控制参数在不同工作环境下的选择十分困难。因此控制器本身应具有在不同工作环境下参数的自适应性和鲁棒性，来抵抗变化和不可预测的环境扰动。

如浙江工业大学提出的CN201510536241.2专利申请、以及江苏科技大学提出的CN201710595475.3专利申请。在这些在先公开的技术方案中，均未能解决由于AUV非线性动力学特性而导致其难以进行常用线性控制的问题。即在水下运动控制过程中，AUV的动力特性、水动力系数的不确定性、以及海流和波浪引起的扰动，都会直接导致AUV控制灵活性的下降，其控制参数调整能力将反映到AUV姿态是否稳定、能否满足水下执行任务时R AUV鲁棒性需求。

目前机器人控制参数自适应调整技术仍存在上述不足，而且在对外界环境干扰进行处理上仍然有需要改进的地方。

有鉴于此，特提出本专利申请。

发明内容

本发明所述的基于ESO的水下机器人模糊PID运动控制方法，其设计目的在于解决上述现有技术存在的问题而提出基于ESO与PID模糊逻辑控制，以弥补现有的PID控制技术不能在复杂海洋环境下进行参数调整的不足，以及在外界环境干扰的情况下对水下航行器的运动姿态以及环境干扰的估计和补偿，最终实现水下航行器在复杂海洋环境下的运动姿态稳定。

为实现上述设计目的，所述的基于ESO的水下机器人模糊PID运动控制方法，包括有以下阶段：

(1)信息获取与需求分析

通过搭载的传感器获取AUV姿态信息以及深度信息，用户在岸基界面发送AUV期望航向和深度信息以进行工作需求分析；

(2)系统状态预测和干扰补偿

AUV端接收到用户需求信息后通过实时反馈的航向与深度信息，由ESO进行系统状态预测以及干扰补偿操作；

(3)PID参数自调整与AUV运动控制

模糊PID根据姿态信息的误差以及误差变化率调整PID系数，实现参数的自调整；

AUV的垂直舵、水平舵根据控制器计算出的结果，实现AUV的航向、俯仰角和深度的控制，满足AUV在海洋环境下工作的任务需求。

如上述基本设计构思，本申请提出一种基于ESO的模糊PID控制器(FPID+ESO)来实现AUV运动控制的快速性、稳定性和鲁棒性的方法。

本申请为提高AUV的姿态与深度控制性能，在自抗扰控制器的核心控制元件---扩张状态观测器ESO的基础上，将模糊控制与PID控制相结合。