[发明专利]一种考虑量化状态反馈的自主水下机器人轨迹跟踪控制方法

说明书

本发明的目的在于提供一种考虑量化状态反馈的自主水下机器人轨迹跟踪控制方法，包括如下步骤：建立水下机器人的运动数学模型；设计量化扩张状态观测器实现对外部干扰的观测；设计量化状态下的自适应控制律来实现轨迹跟踪控制。本发明提出的控制方案考虑了水下机器人平台内部的数模信号转换精度损失以及系统资源限制，可以保证在量化状态反馈下水下机器人轨迹跟踪控制系统的稳定性。本发明实现了量化状态反馈下对未知外部海洋干扰的观测，所提出的方案中不需要连续的状态反馈，但可实现对未知外部干扰的高精度观测，进而可保证自适应控制器的轨迹跟踪控制性能。

技术领域

本发明涉及的是一种机器人控制方法，具体地说是水下机器人控制方法。

背景技术

在水下机器人控制系统中，由于传感器与主控系统之间的信号传输通过数模转换进行，因此状态量化是控制器设计中普遍的一个问题。由于量化误差和量化器固有的不连续特性的影响，造成的量化误差使得控制系统收到扰动。同时，在水下环境中，水声信号是水下机器人进行定位的一种重要手段。当水下机器人在水下执行任务时，保持较高的水声通信频率不仅能耗高，而且会带来通信信道阻塞的风险。

发明内容

本发明的目的在于提供能实现量化状态反馈下的轨迹跟踪控制目标的一种考虑量化状态反馈的自主水下机器人轨迹跟踪控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种考虑量化状态反馈的自主水下机器人轨迹跟踪控制方法，其特征是：

(1)建立水下机器人的运动数学模型；

(2)设计量化扩张状态观测器实现对外部干扰的观测；

(3)设计量化状态下的自适应控制律来实现轨迹跟踪控制。

本发明还可以包括：

1、步骤(1)建立水下机器人的运动数学模型，具体为：

三自由度下的水下机器人运动数学模型如下：

式中，是在大地坐标系中定义的位置矢量，其中x,y分别代表正东和正北坐标，表示航向角，v＝[u,v,r]^T为随体坐标系下的速度矢量，τ＝[τ_u,τ_v,τ_r]^T表示控制力输入，其中τ_u,τ_v分别代表螺旋桨前进推力和侧推力，τ_r代表转艏力矩，d(t)＝[d_u(t),d_v(t),d_r(t)]^T表示时变海洋扰动，M和D(v)分别为对角惯性矩阵和水动力阻尼矩阵，表示大地坐标系和随体坐标系之间的旋转矩阵，C(v)表示向心力矩阵，M、C(v)和D(v)定义如下：

式中，是惯性质量和附加质量的耦合项，表示转动惯量和附加转动惯量的总和；D_u＝-X_u-X_|u|uu,D_v＝-Y_v-Y_|v|vv和D_r＝-N_r-N_|r|rr，其中，X(·),Y(·),N(·)为水动力系数。

2、步骤(2)设计量化扩张状态观测器实现对外部干扰的观测，具体为：

考虑由一致量化器q(w)所产生的量化状态信号，其形式为：