[发明专利]分布式自主水下航行器姿态协同优化控制方法

说明书

本发明涉及一种分布式自主水下航行器姿态协同优化控制方法，考虑自主水下航行器为刚性体，将分布式自主水下航行器姿态系统视作多刚体姿态系统，利用模糊理论将分布式自主水下航行器姿态系统构建为模糊系统。为克服外界环境中存在的扰动，根据构建出的模糊系统设计积分型滑模控制器，并求出在滑模面上运动的等价控制系统。针对在滑模面上的等价控制系统，设计分布式状态反馈标称控制器，利用线性二次型最优调节器理论给出能够保证系统稳定且性能指标最优的条件，设计出标称控制器最优参数。本发明提供的方法能够对控制输入进行最优化设计，使得系统能够以较小的控制输入实现期望的控制性能。

技术领域

本发明属于航海技术领域，涉及一种分布式自主水下航行器的姿态控制方法，特别是一种基于最优控制理论及模糊系统理论的分布式自主水下航行器姿态协同优化控制方法。

背景技术

文献“Attitude synchronization of multiple rigid bodies withcommunication delays,IEEE Transactions on Automatic Control,2012,57(9):2405-2411”公开了一种多刚体非线性反馈姿态协同控制方法。该方法研究了多刚体系统的姿态一致性问题，设计了非线性反馈控制算法。文献中所述的非线性反馈控制算法存在的技术问题在于无法采用线性控制方法中较为成熟的优化算法对控制输入进行优化，导致控制器无法以最优的控制输入来实现期望的控制性能。

发明内容

要解决的技术问题

为克服现有技术中的非线性反馈控制算法无法对控制输入进行最优化设计的不足，本发明提供一种基于模糊系统理论的分布式自主水下航行器姿态协同优化控制方法。

技术方案

考虑自主水下航行器为刚性体，将分布式自主水下航行器姿态系统视作多刚体姿态系统，利用模糊理论将分布式自主水下航行器姿态系统构建为模糊系统。为克服外界环境中存在的扰动，根据构建出的模糊系统设计积分型滑模控制器，并求出在滑模面上运动的等价控制系统。针对在滑模面上的等价控制系统，设计分布式状态反馈标称控制器，利用线性二次型最优调节器理论给出能够保证系统稳定且性能指标最优的条件，设计出标称控制器最优参数。本发明提供的方法能够对控制输入进行最优化设计，使得系统能够以较小的控制输入实现期望的控制性能。

一种分布式自主水下航行器姿态协同优化控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：考虑自主水下航行器为刚性体，将分布式自主水下航行器姿态系统视作多刚体姿态系统，利用模糊理论将分布式自主水下航行器姿态系统构建为模糊系统：

首先给出如下分布式自主水下航行器姿态模型：

式中，J表示水下航行器的惯性矩阵；η_i和η_i0分别表示用于描述水下航行器姿态的单位四元数矢量和标量部分；ω_i表示姿态角速度；u_i和f_i分别表示作用于水下航行器的控制输入和外界扰动输入；将式(1)化作如下所示的状态空间方程：

其中，0_3×3表示3×3阶的零矩阵；

定义向量x_i＝[x_i1 x_i2 x_i3 x_i4 x_i5 x_i6]^T，则利用模糊准则，可将式(2)中描述的非线性系统构建为如下模糊系统：

模糊规则r：如果x_i1是C_r1且…且x_i6是C_r6，那么