[发明专利]一种基于不变流形观测器的全局快速终端滑模控制方法

权利要求书

1.一种基于不变流形观测器的全局快速终端滑模控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步、通过基于不变流形构建的不变流形观测器对水下机器人的运动参数进行分析，以获取系统不确定性和外部干扰的观测值；

第二步、通过加入了函数项的基于全局快速终端滑模控制算法对观测值的分析，获取连续控制律；

第三步、根据所述连续控制律控制水下机器人运动；

第二步，具体包括：

根据水下机器人的位姿跟踪误差构建全局快速终端滑模面，并通过反正切函数项和反双曲正弦函数项对全局快速终端滑模面进行收敛，同时结合系统惯性矩阵的估计值，得到补偿值；结合所述补偿值与观测值获取连续控制律；

所述连续控制律的表达式为，

式中，τ_η为推进器产生的六自由度控制力与力矩；α、β、p、q、k₁、k₂、k₃均为控制器的内部参数，α、β、k₁、k₂、k₃为正实数，p、q为正奇数；为观测值；s为全局快速终端滑模面；e为位姿跟踪误差；为速度跟踪误差；为目标加速度；为系统惯性矩阵的估计值；a、b均为自然数。

2.根据权利要求1所述的一种基于不变流形观测器的全局快速终端滑模控制方法，其特征在于，所述全局快速终端滑模面为，

3.根据权利要求2所述的一种基于不变流形观测器的全局快速终端滑模控制方法，其特征在于，所述位姿跟踪误差为，

e＝η-η_d；

其中，η为水下机器人的实际位姿向量，η_d为目标位姿向量。

4.根据权利要求1所述的一种基于不变流形观测器的全局快速终端滑模控制方法，其特征在于，第三步，具体包括：

构建惯性坐标系下水下机器人的运动学模型和动力学模型，将所述连续控制律代入至运动学模型和动力学模型中，控制水下机器人运动。

5.根据权利要求4所述的一种基于不变流形观测器的全局快速终端滑模控制方法，其特征在于，所述运动学模型为，

式中，为运动学模型；J(η)为雅可比矩阵；v为水下机器人的六自由度速度向量；

所述动力学模型为，

式中，η为水下机器人的实际位姿向量；M_η为包括附加质量的系统惯性矩阵；C_η为包括附加质量的科里奥氏力矩阵；D_η为阻尼矩阵；G_η为重力浮力产生的力和力矩；F_η为机器人系统受到的六自由度干扰力与力矩向量。

6.根据权利要求4所述的一种基于不变流形观测器的全局快速终端滑模控制方法，其特征在于，所述不变流形观测器的构建方法为，

根据水下机器人的系统惯性矩阵的估计值对所述动力学模型进行简化；为所述运动学模型和简化后的动力学模型均添加低通滤波器；通过滤波后的运动学模型以及简化并滤波后的动力学模型构建不变流形观测器；

不变流形观测器的表达式为，

式中，τ_ηf为水下机器人推进器产生的控制力与力矩的滤波值；为系统惯性矩阵的估计值；为运动学模型；为的滤波值；k为不变流形观测器的参数。

7.根据权利要求6所述的一种基于不变流形观测器的全局快速终端滑模控制方法，其特征在于，所述低通滤波器为，