[发明专利]自主型水下航行器自适应反演控制方法

摘要

本发明公开了一种自主型水下航行器自适应反演控制方法，用于解决现有自主型水下航行器控制方法控制精度差的技术问题。技术方案是基于AUV的纵倾运动模型，综合应用Lyapunov方法和反演技术设计了非线性自适应跟踪控制器，将得到的压载舱质量作为参考输入，利用反演法设计压载舱质量伺服控制器，设计自适应律对不确定性进行使AUV能够全局渐近跟踪深度参考指令。本发明构造Lypunov函数设计控制器，相比背景技术方法误差最终能收敛到零，所采用自适应反演控制方法响应速度快，稳定和动态跟踪性能良好，提高了控制精度。

主权项

一种自主型水下航行器自适应反演控制方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、根据AUV的升沉运动，将纵向运动方程简化如下z·=-vxsinθ+vzcosθθ·=wyw·y=1J2(m3-m1)vxvz-wy[xb1mb1(vx+x·b1)+xb2mb2(vx+x·b2)]-gcosθ(xb1mb1+xb2mb2)+Text_2v·z=1m3{wy[(m3+mb1+mb2)vx+mb1x·b1+mb2x·b2]+m0gcosθ+Fext_3}m·b1=u1m·b2=u2---(1)]]>式中，z是浮心在体坐标系下Oz轴上的距离，θ是俯仰角，vx、vz分别为体坐标系下的前向速度和纵向速度，wy为俯仰角速度，mb1、mb2分别为两个压载舱的质量，xb1、xb2分别为两个压载水舱距离浮心的距离，J2为惯性矩阵，Δh1、Δh2为每秒钟水舱中水的高度变化，V1、V2为水舱中水的体积，S为两个水舱的底面积，m0为AUV的净浮力，m1、m3为附加质量，u1、u2为两个压载舱的质量变化量，Fext_3＝‑(L cosα+D sinα)、D＝(KD0+KDα2)(vx2+vz2)、L＝(KL0+KLα)(vx2+vz2)、Text_2＝(KM0+KMα+Kq2wy)(vx2+vz2)，L为升力，D为阻力，α为波浪传播方向与地面坐标系x轴正方向的夹角，KD0、KD为阻力相关系数，KL0、KL为升力相关系数，KM0、KM、Kq2为其他系数；步骤二、对简化后的非线性化运动方程进行自适应反演积分控制器设计假设θ∈(‑π/2,π/2)，控制输入矩阵B已知，未知模型参数具有线性化形式：Φ(vz,wy,α·1,α·2,mb1,mb2,θ)Θ=α·1-wyvz,0,0,vx2+vz2,00,α·2,-vxvz,0,-(vx2+vz2)[m3,J2,m3-m1,k1+k2,k]T---(2)]]>式中，为状态函数向量，Θ为参数向量，k，k1，k2表示在重力方向上的单位向量；定义系统输出向量y＝[z θ]T，常值参考输出向量yd＝[zd θd]T，定义输出跟踪误差e1＝y‑yd，设计Lyapunov函数V1=12e1Te1---(3)]]>对Lyapunov函数求导有：V·1=e1T(J(θ)vzwy+-vxsinθ0)---(4)]]>把广义速度向量[vz wy]T看作虚拟的控制输入，选择期望的镇定函数α=α1α2=J-1(θ)(-Γ1e1+vxsinθ0)---(5)]]>定义速度跟踪误差代入式(4)得到V·1=-e1TΓ1e1+e1TJ(θ)e2---(6)]]>对e2求导得到e·2=M-1(τ+fC(vz,wy)+fD(vz,wy)-Mα·)=M-1(τ-Φ(vz,wy,α·1,α·2,θ)Θ)---(7)]]>设计第二个Lyapunov函数V2=V1+12e2TMe2---(8)]]>对其求导有：为使选择控制输入如下：把式(10)代入式(9)有V·2=-e1TΓ1e1-e2TΓ2e2-e2TΦ(vz,wy,α·1,α·2,θ)Θ~+e2T(Δf+Ksgn(e2))---(11)]]>式中，为参数向量估计误差；定义第三个Lyapunov函数V3=V2+12Θ~TΛ-1Θ~---(12)]]>Λ>0为对角正定设计矩阵，对V3求导得到设计自适应律，消除参数估计误差的影响代入式(13)得V·3=-e1TΓ1e1-e2TΓ2e2≤0---(15)]]>在选定的控制律式(10)和自适应律式(14)的作用下，深度、俯仰角跟踪参考指令，跟踪误差全局收敛到零；步骤三、压载舱的质量为m，压载舱在u的作用下全局渐进跟踪期望质量mr，由于压载舱的质量的作用，mr被视为一种静态量，忽略其动态特性，运用反演法进行压载舱伺服控制器设计，定义压载舱质量跟踪误差：e3=m-mr=m1m2-mr1mr2---(16)]]>求导有以质量的变化为虚拟控制输入，使e3有适当的稳定性，选择稳定函数即控制输入um·=u=-c3e3---(18)]]>选择Lyapunov函数V4＝0.5e32               (19)求导有V·4=e3e·3=-c3e32≤0---(20).]]>