[发明专利]一种X型舵AUV鲁棒精确控制方法

说明书

本发明公开了一种X型舵AUV鲁棒精确控制方法，包括：获取AUV艇体的位置、姿态、线速度和角速度，建立运动学模型、动力学模型以及X分配模型，构成X舵AUV数学模型；分别获取水平面和垂直面的当前AUV所处位置以及航路信息，建立水平面运动学控制器，设计垂直面运动学控制律；设计非线性干扰观测器对X舵AUV数学模型和垂直面运动学控制律的未建模动态进行估计和补偿，生成AUV高阶滑模控制器；基于阻尼矩阵对AUV高阶滑模控制器解算的控制输出进行X舵的控制分配。该控制方法可有效降低模型不确定性、外界干扰对AUV控制的影响。

技术领域

本发明涉及AUV控制技术领域，特别涉及一种X型舵AUV鲁棒精确控制方法。

背景技术

智能水下机器人(Autonomous Underwater Vechicle，AUV)凭借其无人自主工作特性，在科研、民用、军用领域受到了广泛关注，AUV控制技术是实现其自主航行作业的核心技术和关键能力。配备X型艉舵的AUV在安全性、水动力性能等方面优于传统十字舵AUV。因此，X型舵AUV控制受到了大量关注，具备广阔需求。

AUV在航行中现有研究中面临如下问题：

1.大部分AUV是一类欠驱动运动载体，需要运动学控制器生成期望艏向角和纵倾角，引导AUV到达指定位置。但海流干扰造成的侧滑角容易导致AUV运动学控制器存在静差，降低控制精度。

2.AUV动力学模型具有高度非线性，包含各类水动力参数，模型难以精确获取，而且AUV在运动过程中易受海流干扰，容易影响控制精度和鲁棒性。传统PID控制应用于具有高度非线性特性的AUV上，容易引起超调、振荡等问题，同时也容易导致执行机构饱和，鲁棒性和精确性均有一定缺陷。滑模控制是一种鲁棒控制方法，能在一定程度上解决模型不确定及外界扰动等问题，但传统滑模控制同时也面临输出抖振问题，容易影响执行机构寿命。

3.X舵AUV控制器输出是力矩形式，需要经过控制分配转化成各指令舵角。传统伪逆法实时性强，但未考虑舵角输出极限；而另一类基于非线性优化的方法，如SQP法等，虽然考虑输出限制，但算法复杂，占用了AUV较大的计算资源，实时性较差。

因此，在现有AUV航行控制的基础上，如何解决传统方法中由于AUV海流干扰、模型不确定等原因造成的控制精度低、鲁棒性差、依赖模型参数等问题，成为本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提出了一种至少解决上述部分技术问题的X型舵AUV鲁棒精确控制方法，该方法可有效降低模型不确定性、外界干扰对AUV控制的影响。

本发明实施例提供一种X型舵AUV鲁棒精确控制方法，包括：

获取AUV艇体的位置、姿态、线速度和角速度，建立运动学模型、动力学模型以及X分配模型，构成X舵AUV数学模型；

分别获取水平面和垂直面的当前AUV所处位置以及航路信息，建立水平面运动学控制器，设计垂直面运动学控制律；

设计非线性干扰观测器对所述X舵AUV数学模型和垂直面运动学控制律的未建模动态进行估计和补偿，生成AUV高阶滑模控制器；

基于阻尼矩阵对所述AUV高阶滑模控制器解算的控制输出进行X舵的控制分配。

进一步地，所述运动学模型为：

上式中，向量[x,y,z]表示大地坐标系下AUV艇体的位置；欧拉角向量[φ,θ,ψ]表示艇体姿态；[u,v,w]表示艇体坐标系下艇体的线速度，[p,q,r]表示艇体坐标系下艇体的角速度。