[发明专利]一种基于改进萤火虫算法优化的水下航行器轨迹跟踪控制方法

说明书

本发明提出一种基于改进萤火虫算法优化的水下航行器轨迹跟踪控制方法，包括滑模控制和改进萤火虫算法对参数寻优；将待整定参数作为萤火虫在解空间中的位置，构成种群中的个体位置信息，将每个个体代入控制器中，对自主水下航行器的轨迹跟踪进行控制，通过萤火虫寻优，使得适应度函数最小，提高了控制器的控制精度与实用性，满足AUV在实际使用过程中根据需要在线进行参数重构的要求。本发明不需要再依靠人工经验调整参数，使用智能算法自适应整定参数，提高了控制器的有效性与实用性，满足AUV在实际使用过程中根据需要在线进行参数重构的要求。

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改进萤火虫算法优化的水下航行器轨迹跟踪控制方法。

背景技术

随着海洋开发的不断深入，自主水下航行器(AUV)以其体积小，运动灵活，能够自主作业的优点而备受青睐，其已经成为海洋开发的重要工具。自主水下航行器(AUV)完成各种复杂任务的一个基础就是对给定的轨迹的精确跟踪。AUV作为具有高度非线性，多自由度，同时各自由度之间相互耦合等特点，AUV数学模型及其工作环境难以准确的描述，导致一般的基于模型的经典控制方法应用于AUV轨迹跟踪控制时很难取得理想的控制效果。

对于解决模型不精确的控制问题，有学者提出了滑模控制设计轨迹跟踪控制器，对于使用该方法设计的控制器，在滑模函数与控制器上有许多需要手动调整的参数，这些参数对系统性能与控制器效果好坏有着至关重要的影响。传统方案中主要依靠人工经验或者经验公式进行调参，工作量繁琐，而且只能离线进行，只适用于单一模型，如果AUV在实际使用过程中，进行载荷投放或者出现故障等改变AUV本体模型的情况后，原先参数往往不再适用，而传统方案无法满足AUV本体模型改变后在线进行参数重构的需求。

发明内容

为解决存在的问题，本发明对调参方式进行改进，提出一种基于改进萤火虫算法优化的水下航行器轨迹跟踪控制方法，不需要再依靠人工经验调整参数，使用智能算法自适应整定参数，提高了控制器的有效性与实用性，满足AUV在实际使用过程中根据需要在线进行参数重构的要求。

本发明的技术方案为：

所述一种基于改进萤火虫算法优化的水下航行器轨迹跟踪控制方法，包括以下步骤：

步骤1：建立AUV水平面动力学和运动学模型为：

其中，x,y为AUV在地面固定坐标系的位置，ψ，r分别为AUV的航向角和航向角速度，u,v分别为AUV纵向速度和横向速度，m₁₁、m₂₂和m₃₃为AUV的广义质量，和m为航行器质量；X_u、Y_v和N_r为水动力阻尼系数；X_u|u|、Y_v|v|和N_r|r|为二次水动力系数；τ_u为纵向推力，τ_r为水平面偏航力矩；

步骤2：建立AUV的推力控制律和舵力控制律为：