[发明专利]一种自主水下航行器水平面自适应轨迹跟踪控制方法有效

专利信息
申请号: 201810279014.X 申请日: 2018-03-31
公开(公告)号: CN108427414B 公开(公告)日: 2020-10-27
发明(设计)人: 崔荣鑫;严卫生;周斌斌;高剑;张福斌;王银涛;李慧平;李志强 申请(专利权)人: 西北工业大学
主分类号: G05D1/02 分类号: G05D1/02
代理公司: 西北工业大学专利中心 61204 代理人: 陈星
地址: 710072 *** 国省代码: 陕西;61
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摘要:
搜索关键词: 一种 自主 水下 航行 水平面 自适应 轨迹 跟踪 控制 方法
【说明书】:

发明提出一种自主水下航行器水平面自适应轨迹跟踪控制方法,利用高增益状态观测器的方法估计AUV的速度和角速度,使用径向基函数(Radial Basis Function,RBF)神经网络的高精度逼近功能补偿模型参数不确定项和外部干扰项,将AUV轨迹跟踪问题经坐标变换转换为极坐标系下跟踪问题。具体解决时首先设计运动学模型的期望输入,然后设计动力学模型的期望输入,最后使用RBF神经网络估计期望输入中的不确定性项,设计神经网络权值更新律,最终使AUV跟踪期望的轨迹。

技术领域

本发明设计一种自主水下航行器水平面自适应轨迹跟踪控制方法,属于轨迹跟踪控制领域。

背景技术

自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)作为一种智能化水下运载平台,以自主模式航行,可完成水下测量、海域测绘、水底地貌测绘等任务,在军事侦查、港口安全维护、海洋环境监测等领域都有重要的应用。

AUV的跟踪控制是实现众多任务的基础,众多任务都需要AUV按照指定的轨迹航行至指定的位置,然后再开展特定的作业任务。AUV的轨迹跟踪要求AUV跟踪某一条依赖于时间的期望轨迹,需要在特定的时间内按照特定的轨迹运动至特定的地方。

如果某一个系统的控制输入构成的空间维数少于系统的状态变量空间维数,则称该系统为欠驱动系统,欠驱动系统可以显著增加系统灵活度、降低造价等。在AUV的实际应用中,AUV的驱动方式为推进器加舵机或者两个独立推进器推进的方式,控制维数为2,而自主水下航行器水平面运动状态变量空间维数为3,所以自主水下航行器水平面运动是典型的欠驱动条件下的运动,故研究欠驱动条件下AUV的跟踪控制问题具有极强的实际意义。

在AUV航行过程中,容易受到浪、流等外界干扰,同时AUV的模型参数并不能完全精确获取,而且由于成本等因素的控制,难以采用高精度传感器获取AUV的速度和角速度,故采用依赖于模型参数的控制方法在此情况下控制效果较差,如何实现在速度和角速度未知、模型参数不确定性和外界干扰情况下的精确轨迹跟踪问题,具有很强的理论意义和实践价值。

发明内容

针对在AUV航行过程中,由于各种原因,在实际应用中会有AUV速度无法获取的情形,本发明提出一种自主水下航行器水平面自适应轨迹跟踪控制方法,该方法在于利用高增益状态观测器的方法估计AUV的速度和角速度,使用径向基函数(Radial BasisFunction,RBF)神经网络的高精度逼近功能补偿模型参数不确定项和外部干扰项,将AUV轨迹跟踪问题经坐标变换转换为极坐标系下跟踪问题。具体解决时首先设计运动学模型的期望输入,然后设计动力学模型的期望输入,最后使用RBF神经网络估计期望输入中的不确定性项,设计神经网络权值更新律,最终使AUV跟踪期望的轨迹。

本发明的技术方案为:

所述一种自主水下航行器水平面自适应轨迹跟踪控制方法,其特征在于:采用以下步骤:

步骤1:建立模型:定义AUV当前水平面的广义位置向量为η=[x y ψ]T,广义速度向量为V=[u v r]T;其中x代表AUV南北方向的位置,y代表AUV东西方向的位置,ψ代表AUV当前的航向角,u代表AUV前向运动速度,v代表AUV侧向运动速度,r代表AUV航向角速度,AUV的水平面运动方程为

其中AUV的动力学方程如下式所示:

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