[发明专利]一种基于粒子群算法优化自适应滑模控制参数的AUV航向角控制方法

说明书

本发明提出一种基于粒子群算法优化自适应滑模控制参数的AUV航向角控制方法，利用粒子群算法优化设计切换函数和趋近律参数，加快系统到达滑动平面的速度，使整个动态响应过程中都具有强鲁棒性和良好的性能，解决传统自适应滑模控制中存在的品质控制和高频颤动之间的矛盾，实现AUV的精确控制。

技术领域

本发明涉及自主水下航行器控制领域，具体地说是一种基于粒子群算法优化自适应滑模控制参数的AUV航向角控制方法。

背景技术

近几十年来，自主式水下机器人(AUV)受到了广泛的关注，并取得了许多相关成果。自主式水下机器人(AUV)是一种自带能源，依靠其自治能力来管理和控制自身以完成预定任务的水下航行器，可用于海洋科学调查、港口安防监测、水下搜救、海军应用部署等领域。运动控制技术是水下机器人的关键技术之一，良好的运动控制技术是水下机器人完成特定任务的前提和保障。随着水下机器人应用范围的扩大，对其自主性、运动控制的精度和稳定性的要求也随之逐步增加，因此如何提高水下机器人的控制性能是当今研究的一个重要课题。

目前主要采用的AUV运动控制技术有：PID控制、模糊控制、滑模变结构控制等，传统的PID控制算法是目前应用最广泛的控制算法，但是存在响应慢、易超调、抗干扰能力差等缺点。模糊控制的众多的模糊变量以及隶属度函数的选择需要有已被实践验证的效果较好的专家经验知识来指导设计，导致对于一种新设计的控制律根本没有经验可以利用。而滑模变结构控制设计方法简单，控制算法易实现，但是系统状态会产生高频颤动现象，影响系统的稳态精度，甚至使系统不稳定。

传统采用滑模变结构控制的AUV运动控制律，滑模变结构中的指数趋近律包括一般通过参数η和k的适当选取来保证到达段的快速性和高频颤动的抑制。要想有效地抑制高频颤动，必须保证较小的η值，但是η值太小会使得|s|＜1时，系统进入滑动模态的时间会变长，导致系统的鲁棒性削弱。增大k值可以加快系统的趋近速度，但是在|s|较大时会增大所需的控制强度，进而引起高频颤动；而减小k又会使得系统趋近滑动模态的时间变长。所以切换函数和指数趋近律参数的合理选择尤为重要。

发明内容

本发明针对AUV航向角控制需求，提出一种基于粒子群算法优化自适应滑模控制参数的AUV航向角控制方法，利用粒子群算法优化设计切换函数和趋近律参数，加快系统到达滑动平面的速度，使整个动态响应过程中都具有强鲁棒性和良好的性能，解决传统自适应滑模控制中存在的品质控制和高频颤动之间的矛盾，实现AUV的精确控制。

本发明的技术方案为：

所述一种基于粒子群算法优化自适应滑模控制参数的AUV航向角控制方法，包括以下步骤：

步骤1：建立AUV的航向运动模型为

其中，ψ为AUV的航向角，r为偏航角速度，I_Z为载体坐标系下的沿z轴方向上的转动惯量；λ₆₆为载体坐标系中沿z轴方向旋转运动产生的附加质量；λ₆₂为载体坐标系中沿y轴方向平移运动产生的附加质量，m为水下航行器的质量，x_G为重心在载体坐标系中x轴上的横坐标，u和v分别为水下航行器在载体坐标系下的纵向速度和侧向速度，为合速度；β为侧滑角，描述的是合速度v₀与载体坐标系中x轴与z轴所在平面之间的夹角，τ_r为航向输入力矩，d(t)为有界的未知外界扰动，且满足|d(t)|≤d，其中d为外界扰动的上界；为载体坐标系下偏航力矩对角速度r的旋转导数、为载体系中偏航力矩因素对侧滑角β的位置导数，ρ为海水的密度，L为水下航行器在载体坐标系中沿x轴方向的长度，S为水下航行器沿x轴方向的最大横截面面积；x和y分别表示在固定坐标系中AUV的横坐标和纵坐标；

步骤2：将步骤1运动模型中的动力学方程改写为：