[发明专利]一种具有垂推的低速水下航行器的定深控制方法

说明书

本发明提出一种具有垂推的低速水下航行器的定深控制方法，属于水下航行器控制领域。该方法不依靠传统的舵面控制方式，而通过安装在不同位置的垂向和侧向推进器完成运动控制。在双环输出反馈控制方法的基础上，设计了基于滑模控制的自适应律，在线估计系统参数不确定及未知干扰的上界，不断地通过当前系统的运行状态与期望状态相比较，通过自适应律来改变控制器，使系统能够达到预期的性能指标。

技术领域

本发明涉及水下航行器定深控制技术领域，具体为一种具有垂推的自主水下航行器的“深度+俯仰角”双环输出自适应滑模控制方法。

背景技术

自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)在可广泛用于海底生物资源探查，矿产资源采样，海底地形勘，沉物打捞，地震地热活动监测，海洋环境监测，海洋工程维护等。

AUV具有很强的非线性特性，同时它的航行环境十分复杂，传统的PID控制算法难以胜任。其中姿态控制存在以下几个技术挑战时变性，模型参数甚至结构不确定，未知的外部干扰以及控制输入饱和等，这些问题都给的控制带来了很多困难。由于 AUV在航行过程中流体参数会发生变化，造成模型参数具有不确定性，而且会受到海浪和海流的随机干扰，这要求控制系统必须具有一定的鲁棒性和自适应能力。

滑模控制作为一种特殊的鲁棒控制方法，由于它突出的特点是滑动模态对于系统参数摄动和外界扰动等不确定因素不敏感，这种理想的鲁棒性引起了控制界的极大关注。近二十年来，滑模控制方法在电机控制、机器人、伺服系统、空间飞行器等领域取得成功应用。特别是，随着的不断发展，将滑模控制应用于AUV的研究也越来越成为研究的重要方向。

另外，在实际工程中，由于系统模型参数的不确定和外界干扰的上界通常是无法事先获取的，当选取过大的切换系数会导致系统颤振加剧、控制系统的保守性过强等问题，过小的切换系数会导致系统的不稳定。如何根据模型不确定和外界干扰来设计“自适应”的切换系数是一个很有理论和实际意义的研究问题。

综上所述，一种具有垂推的低速AUV的定深控制还存在以下三个问题：1、AUV 的垂直面运动模型参数具有不确定性；2、海流等外部随机干扰会对AUV的定深控制造成一定的影响；3、若仅用深度量测值进行定深控制，不采用俯仰角信息，会导致系统定深性能下降，甚至稳定性难以保证。

发明内容

本发明针对AUV定深控制中的模型不确定及外部干扰未知问题，同时考虑仅用深度测量值下的控制问题，提出了一种具有垂推的低速水下航行器的定深控制方法，采用“深度+俯仰角”双环反馈的自适应滑模定深控制，在该方法中，基于滑模控制设计了自适应律对模型参数和外部干扰上界进行估计，以保证控制系统有良好的性能。

本发明的技术方案为：

所述一种具有垂推的低速水下航行器的定深控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：建立具有垂推的低速水下航行器垂直面运动模型：

其中η＝[z θ]^T，v＝[w q]^T，μ＝[-u_csinθ 0]^T；z为水下航行器在世界坐标系下的垂向位置坐标，θ为俯仰角，w为水下航行器在体坐标系下的垂向速度，q为俯仰角速度，u_c为水下航行器在体坐标系下的前向速度；M为水下航行器俯仰质量矩阵； f_C(w,q)，f_D(w,q)、f_G(θ)分别为理想流体产生的力与力矩组成的向量、流体阻尼力与力矩组成的向量、重力与浮力产生的恢复力与力矩组成的向量；Δ为模型不确定项和外界未知干扰，B为分配矩阵，T＝[T₁ T₂]^T为控制输入，T₁，T₂分别为前垂推和后垂推产生的推力，