[发明专利]一种基于扩展状态观测器的底栖式AUV弱抖振积分滑模点镇定控制方法

说明书

一种基于扩展状态观测器的底栖式AUV弱抖振积分滑模点镇定控制方法，涉及水下航行器控制领域，针对现有技术中的控制方法存在控制精度有限，调整速度慢的问题，包括：步骤一：建立可底栖式AUV运动方程，并根据可底栖式AUV运动方程构建可底栖式AUV误差模型；步骤二：根据可底栖式AUV误差模型构建可底栖式AUV点镇定跟踪误差模型；步骤三：设计自适应超螺旋扩展状态观测器；步骤四：构建二阶无抖振非奇异积分终端滑模面；步骤五：根据可底栖式AUV点镇定跟踪误差模型、自适应超螺旋扩展状态观测器和二阶无抖振非奇异积分终端滑模面设计控制器。本申请能在有限时间内收敛到稳定状态，且位姿误差收敛到零后能保持较好的稳定性，收敛速度快。

技术领域

本发明涉及水下航行器控制领域，具体为一种基于扩展状态观测器的底栖式AUV弱抖 振积分滑模点镇定控制方法。

背景技术

海洋占据着地球总面积的三分之二，其中蕴藏的丰富的矿产和水产资源，深受世界各 国所重视。作为海洋信息检测和海洋资源开发的重要工具，自主式水下机器人(AUV)在各 个领域起到非常大的作用。当下，随着对更深以及更广阔海洋的开发需求逐步增加，现有 的适用于大范围运行的巡航式AUV以及用于小范围运行的悬停式AUV都已无法满足需要。 主要原因在于巡航式AUV的定点观察能力较差、悬停式AUV的大范围调查能力较差。在此背景之下，底栖式AUV的概念也由此被提出，作为一种结合了悬停式AUV与巡航式 AUV全部特性的新型水下航行器，可底栖式AUV的特点在于可以在完成海底坐标高精度 探测任务的同时，满足对微小目标识别的需求。不过，由于运动系统比较复杂，此种改型 AUV也是一类典型的非线性强耦合系统，不仅具有控制方法收敛性能较差、工作环境复杂、 水动力参数难以精确求解等AUV共性的研究障碍，而且在其独有的布放、回收任务，大规 模部署以及精确坐沉于海底的作业要求下，水动力系数摄动、载体易发生碰撞等影响因素 (庞硕,纠海峰.智能水下机器人研究进展[J].科技导报,2015,33(23):66-71.Pang Shuo, JIUHaifeng.Research progress of intelligent underwater vehicle[J].Science andTechnology Herald,2015,33(23):66-71.)也极大地影响着对于可底栖式AUV的控制操作。可底栖式AUV 概念图如图1、图2和图3所示，外形图如图4所示。

可底栖式AUV航行运动的最终目标是该底栖式AUV能坐底到海底预设位置为圆心的 一个固定圆内。精准的轨迹跟踪精度和点镇定精度是AUV能够精准到达海底预设区域的重 要决定因素。可底栖式AUV在航行和定点悬停中，外界干扰、可底栖式AUV模型参数不 确定性以及执行器受限等因素对可底栖式AUV控制精度和稳定性都有很大的影响。因此较 高的点镇定控制精度和稳定性对于可底栖式AUV精确坐底至关重要，可底栖式AUV在到 达近海固定区域后进行的定点悬停运动是极其重要的步骤，即通过调整垂直反向推力来使 可底栖式AUV坐底到海底固定位置。使可底栖式AUV能够实现定点悬停运动并完成规定 任务的前提是设计有效的控制律，在较短时间内保证高精度的坐底于海底固定点(徐玉如, 肖坤.智能海洋机器人技术进展[J].自动化学报,2007(05):518-521.Xu yuru,Xiao Kun.technical progress of intelligent ocean robot[J].Acta Automatica Sinica,2007(05):518-521.)。目 前常见的AUV点镇定方法通常是针对外界扰动设计鲁棒控制器或用神经网络逼近系统的 总干扰。但是，此类方法具有以下缺点：一、控制精度有限或计算量过大；二、调整速度 较慢。所以现有的AUV点镇定控制方法无法满足可底栖式AUV的坐底运动需求。

发明内容

本发明的目的是：针对现有技术中的控制方法存在控制精度有限，调整速度慢的问题， 提出一种基于扩展状态观测器的底栖式AUV弱抖振积分滑模点镇定控制方法。

本发明为了解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种基于扩展状态观测器的底栖式AUV弱抖振积分滑模点镇定控制方法，包括以下步 骤：