[发明专利]一种基于非线性观测器的自主水下航行器运动控制方法

摘要

一种基于非线性观测器的自主水下航行器运动控制方法，涉及自主水下航行器(AUV)运动控制技术领域。本发明是为了增强自主水下航行器对环境扰动的鲁棒性，提供控制系统的动态性能指标。包括以下步骤：步骤1、建立自主水下航行器的六自由度数学模型；步骤2、设计跟踪微分器获取期望位置信息的跟踪信息以及微分信息；步骤3、设计非线性观测器利用传感器测量得到的位置信息观测出自主水下航行器的速度、干扰状态信息；步骤4、设计控制器利用跟踪微分器以及非线性观测器获得的信息得到执行机构所需控制量；步骤5、执行机构作用于受控对象自主水下航行器，使自主水下航行器运动到设定的期望位置。本发明适用于自主水下航行器运动控制。

主权项

1.一种基于非线性观测器的自主水下航行器运动控制方法，包括以下步骤：步骤一、建立自主水下航行器的六自由度数学模型；自主水下航行器的数学模型建立在北东坐标系和运动坐标系下，在北东坐标系下定义其位置矢量，运动坐标系下定义其广义速度矢量；建立在两坐标系下的运动学和动力学数学模型为：其中，η为定义在固定坐标系下自主水下航行器的位置矢量矩阵，V为定义在运动坐标系下自主水下航行器的广义速度矢量矩阵，J(Θ)为自主水下航行器在北东坐标系下的速度与运动坐标系下的广义速度之间的转换矩阵，M为惯性矩阵，CRB(V)为刚体科里奥利向心力矩阵，CA(V)为流体产生的科里奥利向心力矩阵，D(V)为阻尼力矩阵，g(Θ)为重力和浮力产生的阿基米德回复力和力矩矩阵，b为环境干扰力矩阵，τ为控制输入；步骤二、利用跟踪微分器获取期望位置信息的跟踪信息以及微分信息；步骤三、利用非线性Luenberger观测器利用传感器测量得到的位置信息观测出自主水下航行器的速度和干扰状态信息；步骤四、控制器利用跟踪微分器以及非线性Luenberger观测器获得的信息得到执行机构所需控制量；步骤五、执行机构作用于受控对象自主水下航行器，使自主水下航行器运动到设定的期望位置，完成一次自主水下航行器运动控制；其特征在于，步骤二至四为基于非线性观测器的自主水下航行器定深控制步骤，具体为：步骤A、跟踪微分器对期望深度指令进行微分，得到期望指令的跟踪信息x和微分信息v；步骤B、非线性Luenberger观测器利用传感器测量得到的位置信息η观测出航行器在运动坐标系下的广义速度V；步骤C、三阶非线性扩张状态观测器利用非线性Luenberger观测器观测到的深度信息观测出航行器的深度z₁以及定义在北东坐标系下的下潜速度步骤D、将跟踪微分器获得的期望深度跟踪信息x和微分信息v分别与三阶非线性扩张状态观测器观测到的深度信息z₁以及定义在北东坐标系下的下潜速度的差值作为控制器的比例和微分输入，经非线性PD控制率获得输出控制信号u₀；把非线性Luenberger观测器观测到的下潜速度信息作为二阶非线性扩张状态观测器的输入，观测出航行器在下潜方向的总扰动；步骤E、将控制信号u0与总扰动的差值作为最后升降舵的控制输入u。