[发明专利]欠驱动AUV的虚拟锚泊水平面区域镇定控制方法及实现方法

说明书

本发明提供的是一种欠驱动AUV的虚拟锚泊水平面区域镇定控制方法及实现方法。包括：建立欠驱动AUV的水平面运动方程；建立还有环境影响下的欠驱动AUV的相对速度和相对加速度的方程；建立了虚拟锚泊的数学模型；通过改进的静态悬链线方程对水平分力进行表示，采用Traube改进抛物线法对水下机器人所受到的锚链张力进行求解；取锚链张力中的水平分力进行按照AUV的随艇坐标系进行分解，分为纵向力F_xm和横向力F_ym以及转艏力矩M_m；将F_xm和M_m分配到推力器，得出主推进器的推力X和转艏力矩N。本发明方法不基于模型，不会因为载体而对本控制方法产生影响，可以使得欠驱动AUV在大干扰环境下实现区域镇定。

技术领域

本发明涉及的是一种无人水下机器人运动控制方法，具体地说是一种欠驱动无人水下机器人(Underacutated Autonomous Underwater Vehicles)的虚拟锚泊水平面区域镇定控制方法。

背景技术

欠驱动水下机器人是指独立控制输入维数少于系统自由度的水下机器人，它是我国实施深海资源开发战略不可或缺的重大技术装备之一。相比于全驱动水下机器人，欠驱动水下机器人首先在成本方面有所降低，多推进装置的配置不仅代表了设备成本的提高，也使得对于水下机器人的能源消耗的大幅增加，同时也加重了机器人的重量。在水下机器人的航速不断增加的情况，全驱动水下机器人的侧向推进器和垂向推进器的作用会越来越弱，甚至无法让水下机器人转向。当全驱动水下机器人的某个推进器出现故障，无法正常工作时，水下机器人将由全驱动变为欠驱动，需要通过欠驱动控制算法对水下机器人进行有效控制，并且用较少的推进器同样达到期望的控制要求。因此，对于欠驱动水下机器人的控制研究具有重要理论意义和工程应用价值。

对于一些任务要求AUV保持在某个目标位置附近，例如在执行搜索任务时，AUV需要在所要求的节点位置进行图像数据的采集，然后将所搜集的数据储存。在这个过程中对于水下机器人的位置要求并不严格，不需要进入动力定位状态，由于海洋环境的影响，水下机器人在长时间的动力定位过程中会消耗大量的能源，这种情况下动力定位不是最佳的解决方式对于欠驱动水下机器人其本身不具备动力定位的能力，其横向运动与纵向运动完全耦合，对于上述动作实现起来更加困难。对于此类问题，一般采用镇定控制加以解决。

欠驱动水下机器人的镇定控制研究是欠驱动水下机器人的关键技术之一。对于欠驱动水下机器人点镇定控制问题研究都是基于系统运动学模型，采用非线性状态反馈的思想对其进行镇定，主要分为非连续时不变反馈镇定和连续时变反馈镇定，主要方法有σ变化法、反步法(back-stepping)等。但是这些研究都是基于系统无干扰且为无漂非完整约束系统，在环境干扰强烈的实际海洋环境中稳定性无法保证。目前国内外对非完整系统，特别是欠驱动机械系统、移动机器人的镇定的研究已经相当丰富，但对于欠驱动水下机器人的镇定研究还相对较少。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够使欠驱动水下机器人在海流环境下的区域镇定以及提高水下机器人的实用性的欠驱动AUV的虚拟锚泊水平面区域镇定控制方法。本发明的目的还在于提供一种欠驱动AUV的虚拟锚泊水平面区域镇定控制方法的实现方法。

本发明的欠驱动AUV的虚拟锚泊水平面区域镇定控制方法包括如下步骤：

步骤一、通过AUV的外部控制输入所要到达的目标位置的控制命令；

步骤二、通过AUV上的设备所测量到的位姿计算出当前位置与目标位置之间的间距和锚链角；

步骤三、判断是否符合：1.到达有效范围内；2.控制变量处于收敛状态，如果符合则退出；如果不符合则执行步骤四；