[发明专利]基于自主水下机器人航向运动的动态状态反馈控制方法

说明书

本发明公开了一种基于自主水下机器人航向运动的动态状态反馈控制方法。本发明提出的技术方案为，首先，根据自主水下机器人航向运动模型特点构建AUV系统航向运动模型，此模型与纵向速度耦合；然后，根据现代控制理论的可控性判据判断系统能否实现极点的任意配置，分析可证明此类模型均具有完全能控性，即可实现极点任意配置，预设期望极点即获得期望特征方程；同时将两控制参数作为待求量代入控制律中，获得含有控制参数的特征方程；本发明通过联立期望特征方程与含有控制参数的特征方程，获取关键控制参数的求取步骤。本控制方法是一种简易、通用的二阶AUV航向动态状态反馈控制方法，该方法也可以推广到其他具有两垂直舵控制航向的AUV系统中。

技术领域

本发明设计是一种航向运动控制技术，特别是指自主水下机器人系统控制执行机构为垂直舵，采用纵向速度动态调整状态反馈控制参数的一种方法。

背景技术

精确的航向运动控制是自主水下机器人(AUV-Autonomous Underwater Vehicle)完成水下作业任务的关键，如水下路径跟踪、水下采样、水下焊接等任务，有着重要的作用与意义。然而，AUV系统航向运动模型具有较强的复杂性、非线性与耦合性、外界环境干扰较难描述等特点，增加了AUV系统航向运动控制策略设计的难度。AUV系统航向控制与纵向速度有着较强耦合关系，相互干扰，导致系统航向控制精度变差；且由于AUV系统自身的流行曲线，AUV系统在近水面航行时系统表面积均受外界波浪力影响，为了保证系统具有良好的控制品质，系统控制策略应具有较强的抵抗外界波浪力的能力。

目前国内外关于AUV航向运动控制的控制策略，多以PID(Proportional IntegralDerivative,比例积分微分)控制或其他自适应控制为主。由于AUV系统航向运动模型是一种强耦合于纵向速度的系统，且模型表述形式复杂，系统运动控制方法多计算量大导致系统运动控制反应迟缓。许多专家采用PID控制方法，在AUV外场试验中系统运动控制多采用分段PID控制方法，所谓分段是根据纵向速度不同设置不同的PID控制参数组，各控制参数组需在不同纵向速度下试验获得，故可能需要大量试验才能确定各航速段对应的控制参数，且无法解决纵向速度对航向运动的耦合影响。附图1为PID控制下AUV系统航向运动控制输出结果图，分析附图1知AUV在纵向速度变速瞬间航向有较大抖动。

本发明针对航向运动强耦合于纵向速度特点设计了动态反馈控制法，采用纵向速度动态自动调整状态反馈控制参数的方法解决系统耦合问题。

本发明正是为AUV系统航向运动提供一种可以消弱纵向速度对航向运动耦合影响的简单易行控制方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种适合于AUV航向运动的控制方法。该方法具有参数求解方法简单、便于实现，自适应于被控对象等特点。

本发明的目的是通过如下技术方案实现：

一种基于自主水下机器人航向运动的动态状态反馈控制方法，可动态调整状态反馈控制参数，消弱自主水下机器人(AUV)纵向速度对其航向运动的耦合影响，提高AUV系统抗干扰能力与自适应于被控对象能力，控制方法通用性强，且只有两控制参数k_rk_ψ，该方法包含以下步骤：

(1)构建AUV系统航向运动模型，根据AUV系统航向运动控制特点，构建航向运动状态方程

(2)根据能控性判据知系统完全能控，可实现极点的任意配置，预设期望极点为λ_r、λ_ψ，从而得到加入状态反馈后，系统期望特征方程为E(λ)＝λ²-(λ_r+λ_ψ)λ+λ_rλ_ψ；