[发明专利]基于自主水下机器人航向运动的动态状态反馈控制方法

摘要

本发明公开了一种基于自主水下机器人航向运动的动态状态反馈控制方法。本发明提出的技术方案为，首先，根据自主水下机器人航向运动模型特点构建AUV系统航向运动模型，此模型与纵向速度耦合；然后，根据现代控制理论的可控性判据判断系统能否实现极点的任意配置，分析可证明此类模型均具有完全能控性，即可实现极点任意配置，预设期望极点即获得期望特征方程；同时将两控制参数作为待求量代入控制律中，获得含有控制参数的特征方程；本发明通过联立期望特征方程与含有控制参数的特征方程，获取关键控制参数的求取步骤。本控制方法是一种简易、通用的二阶AUV航向动态状态反馈控制方法，该方法也可以推广到其他具有两垂直舵控制航向的AUV系统中。

主权项

1.一种基于自主水下机器人航向运动的动态状态反馈控制方法，其特征在于：动态调整状态反馈控制参数，消弱自主水下机器人纵向速度对其航向运动的耦合影响，提高自主水下机器人系统抗干扰能力与自适应于被控对象能力，控制方法通用性强，且只有两控制参数k_r k_ψ，该方法包含以下步骤：(1)构建自主水下机器人系统航向运动模型，根据自主水下机器人系统航向运动控制特点，构建航向运动状态方程(2)根据能控性判据知系统完全能控，可实现极点的任意配置，预设期望极点为λ_r、λ_ψ，从而得到加入状态反馈后，系统期望特征方程为E(λ)＝λ²‑(λ_r+λ_ψ)λ+λ_rλ_ψ；(3)设置待求控制参数k_r k_ψ构建状态反馈控制律δ_r(t)＝k_re_r+k_ψe_ψ，将控制律代入条件(1)中航向运动状态方程，得到加入控制律后的特征方程为E(λ)＝λ²‑(a+bk_r)λ‑bk_ψ；(4)对比条件(2)的期望特征方程与条件(3)的加入状态反馈控制律的特征方程，可得控制参数k_r k_ψ为(5)确定状态反馈控制律ψ——为自主水下机器人航向角，单位度；r——为航向角速度，单位弧度/秒；e_ψ——为自主水下机器人航向角误差即实际航向角与期望航向角的差，单位度；e_r——为自主水下机器人航向角速度误差即实际航向角速度与期望航向角速度的差，单位度；N_r——系统非线性水动力系数，无单位；N_δ——系统非线性水动力系数，无单位；——加速度水动力参数，无单位；I_zz——转动惯量，无单位；a——无单位；b——无单位；u——为纵向速度，单位米/秒；λ——为特征方程算子，无单位；λ_r——为特征方程一期望极点，具有负实部，无单位；λ_ψ——为特征方程一期望极点，具有负实部，无单位；k_r——为状态反馈控制律一控制参数，随着纵向速度与模型参数变化，无单位；k_ψ——为状态反馈控制律一控制参数，随着纵向速度与模型参数变化，无单位；δ_r——为状态反馈控制律，物理表述为自主水下机器人系统垂直舵输出角度，随着纵向速度与模型参数变化而变化，单位度。