[发明专利]一种无缆自治水下机器人的潜浮控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无缆自治水下机器人(Autonomousunderwatervehicle，简 称为AUV)的潜浮控制方法，属于水下机器人控制技术领域。

背景技术

水下机器人是一个非线性、时变性、强耦合、大时延、多自由度的复杂系 统。由于水动力参数的冗杂性和风、浪、流等的不断变化，难以得到精确的AUV 数学模型，使得获得AUV的高精度控制非常困难。水下机器人的潜浮运动是其 空间运动中的某一实例，常用于定点观测、水下悬浮等情形，因此在AUV的空 间运动和控制技术研究中具有实际意义和应用价值。

随着水下机器人应用的不断增加和控制精度要求的不断提高，很多先进的 算法被应用于水下机器人的运动控制中，如自适应控制，鲁棒控制，神经网络 控制，滑模变结构控制等。自适应控制和鲁棒控制主要处理系统内部不确定性， 对系统外部干扰的鲁棒性有限，其中自适应控制根据系统内部参数的不确定性 进行在线调整，鲁棒控制考虑不确定部分的最坏情形来设计控制器，能处理的 不确定性范围有限；神经网络控制的算法复杂，易出现控制滞后，是工程应用 存在的主要问题；滑模变结构控制能同时处理系统内部和外部的不确定性，但 滑动模态的可达性易受不确定性的影响。

自抗扰控制将系统的内部和外部不确定性统一为总扰动(已建模动态、未 建模动态及未知外扰的总和)，利用扩张状态观测器对总扰动进行实时估计并补 偿，以获得较好的控制性能和较高的控制精度。此外，自抗扰控制没有限制不 确定性的具体形式，无论是时变还是定常，线性还是非线性，连续还是间断， 都能通过扩张状态观测器进行实时估计并补偿。

因此，研究简单实用的水下机器人潜浮控制方法，解决水下机器人欠驱动、 强耦合问题，提高水下机器人的抗干扰能力，是目前水下机器人运动控制中一 个重点需要解决的实际问题。

发明内容

基于上述背景，本发明针对现有先进控制方法的不足，提出了一种基于自 抗扰控制技术的无缆自治水下机器人的潜浮控制方法，可以实现机器人快速、 平滑、超调小的潜浮控制，提高了纵倾角与垂向速度的动态跟踪性能和稳态性 能，并实现纵倾角和垂向速度的完全解耦控制。

本发明解决其问题所采用的技术方案如下：一种无缆自治水下机器人的潜 浮控制方法，包括纵倾角控制和垂向速度控制，具体包括以下步骤：

通过安装在水下机器人上的传感器实时采集纵倾角和垂向速度信号；

将纵倾角和垂向速度信号作为反馈信号，并结合纵倾角和垂向速度的实际 控制量进行扩张状态观测，得到纵倾角、纵倾角速率、垂向速度及系统总扰动 的估计值；

对纵倾角和垂向速度的设定值通过跟踪微分器进行滤波，得到纵倾角的跟 踪值及其微分值、垂向速度的跟踪值；

将纵倾角的跟踪值及其微分值分别与纵倾角和纵倾角速率的估计值作差； 将垂向速度的跟踪值与垂向速度的估计值作差；

将上述差值结果进行非线性反馈控制，反馈控制结果和系统总扰动的估计 值构成了纵倾角和垂向速度的控制量；

纵倾角和垂向速度的控制量输入给水下机器人进行实时控制。

所述对纵倾角和垂向速度的设定值通过跟踪微分器进行滤波采用离散方程 形式，设计如下：