[发明专利]基于模糊逻辑和扩张状态观测器的低成本AUV速度估计方法

说明书

本发明涉及一种基于模糊逻辑和扩张状态观测器的低成本AUV速度估计方法，首先基于AUV运动模型得到螺旋桨转速与AUV航速的关系，获得在静水环境当前螺旋桨转速下对应的电机电流和AUV航速；然后基于模糊逻辑控制，根据AUV电机电流和转速信息估计出当前环境下海流作用在AUV前进速度上的影响，得到AUV前进速度的粗略估计值；最后基于电机运动方程构建扩张状态观测器，并将AUV前进速度的粗略估计值、电机电流作为输入，得到外部扰动和模糊控制造成的速度误差，得到准确的速度估计值。本方案为不携带测速设备的低成本AUV中提供必要的准确的速度信息，通过该技术实时估计出当前AUV的前进速度，对于AUV的定速、导航、路径规划等具有重要意义。

技术领域

本发明涉及AUV速度估计领域，具体涉及一种基于模糊逻辑和扩张状态观测器的低成本AUV速度估计方法。

背景技术

自主式水下航行器(AUV)在国防、海洋调查和工业应用方面的广泛应用。随着AUV应用领域的不断扩大，低成本化已逐渐成为AUV的一种发展趋势，它也是衡量性价比的重要指标。但是，无论是标准型AUV还是低成本AUV，没有精确的导航子系统和有效的控制子系统就无法完成诸多任务。

自1970年代以来，AUV的导航子系统和控制子系统已得到逐步完善。这意味着随着导航与控制算法的改进，对速度，姿态和位置信息的依赖性变得越来越强。而与标准型AUV不同，低成本AUV缺乏用于改善导航和控制性能的关键传感器，例如多普勒测速仪(DVL)或高端惯性导航系统(INS)。低成本AUV的导航和控制子系统主要依靠姿态和航向参考系统(AHRS)，水流量计，全球定位系统(GPS)和电子罗盘。然而，事实上并不是所有的低成本AUV都配备水流计，因此在复杂的海洋条件下，未配备水流计的低成本AUV的速度信息受到海流影响。在这种情况下，AUV导航与控制的主要挑战是在没有DVL、INS或水流计的情况下估计AUV巡航速度，从而实现控制和导航任务。

对于AUV，由于不能直接测量速度，现有技术中有许多关于速度估计的相关方案，比如，“Estimating water current velocities by using a model-based high-gainobserver for an autonomous underwater vehicle”设计了一种基于高增益观测器和AUV流体动力学模型的方法利用惯性导航系统获取AUV的位置、加速度、角速度等信息估计出AUV附近的水柱速度来估计AUV的速度；“A Novel Hybrid Approach to Deal with DVLMalfunctions for Underwater Integrated Navigation Systems”运用偏最小二乘回归和支持向量回归建立AUV速度估计器；“Extended State Observer-Based IntegralSliding Mode Control for an Underwater Robot With Unknown Disturbances andUncertain Nonlinearities”基于多输入和多输出扩展状态观测器和外部视觉定位系统，开发了一种新型的ROV集成滑模控制器；利用外部视觉定位系统为ROV提供位置信息以估计相应的速度信息；“Implementation of a Hydrodynamic Model-Based NavigationSystem for a Low-Cost AUV Fleet”利用姿态和航向参考系统提供的AUV前进速度作为参考，并利用AUV水动力方程对其进行修正得到AUV的速度信息。

但是，对于现有的速度估计方法仍然存在以下问题：

1、通常情况下需要额外搭载水流计、INS、声纳、ADCP(多普勒流速剖面仪)、摄像头、USBL(超短基线)等能够测量出AUV当前的位置信息或者海流信息的测量设备，这些设备考虑到价格成本以及AUV体积结构等因素并不适用于低成本AUV；