[发明专利]欠驱动水面机器人的水动力系数混合自适应估计方法

权利要求书

1.一种欠驱动水面机器人的水动力系数混合自适应估计方法，其特征在于：包括以下具体步骤：

(1)获取水面机器人的物理参数，根据水面机器人的物理参数建立水面机器人的线性动力学模型；

(2)针对水面机器人，建立水域流场的网格划分模型，且划分为纯纵横荡结构网格和纯艏摇结构网格；

(3)将步骤(2)中划分的纯纵横荡结构网格和纯艏摇结构网格进行纯纵荡、纯横荡和纯艏摇的仿真，仿真时获得横荡力曲线和艏摇力矩曲线，利用横荡力曲线和艏摇力矩曲线输入到步骤(1)的线性动力学模型中拟合得到X_u、Y_v、Y_r、N_v、N_r、的10个水动力系数；由10个水动力系数组建水动力系数向量θ中，水动力系数向量θ中有10个元素，10个元素依次为q₁、q₂、q₃、q₄、q₅、q₆、q₇、q₈、q₉和q₁₀，其中，q₆＝X_u，q₇＝Y_v，q₈＝Y_r，q₉＝N_v，q₁₀＝N_r；以水动力系数向量θ作为步骤(5)迭代过程中的水动力系数估计向量的初始值，同时设置水动力系数向量θ中的每个元素的自适应范围作为步骤(5)迭代过程中参数自适应率的迭代约束范围；

(4)通过水池试验获得水面机器人在给定推力下的各个时刻的位姿信息；

(5)根据步骤(4)中水池试验得到的位姿信息处理获得速度向量的估计值向量，进而建立辅助误差向量和辅助向量模型计算辅助误差向量κ，再建立参数自适应率公式获得水面机器人的水动力系数的估计值向量

(6)重复步骤(5)，以上一次迭代获得的水面机器人的水动力系数的估计值向量和水池试验获得下一个时刻的位姿信息代入到步骤(5)的速度向量的估计值向量的公式中进行迭代循环，直至步骤(4)获得水池试验获得各个时刻的位姿信息均迭代循环处理过，完成水动力系数混合自适应估计；

所述(1)中的线性动力学模型具体为：

式中，v表示水面机器人的速度向量；表示水面机器人的速度向量v的导数；ΔU表示测量水动力系数过程中附体坐标系下水面机器人受到的外界干扰力；M是质量矩阵，H(v)是柯氏力矩阵，D是阻尼矩阵，U_prop是推进器提供的推力矩阵；

上述v、M、H(v)、D和U_prop分别计算为：

v＝[u v r]^T

H(v)＝[mvr -mur 0]^T

U_prop＝[F_pl+F_pr 0 (F_pl-F_pr)l]^T

ΔU＝[ΔX ΔY ΔN]^T

式中，u表示水面机器人的纵荡速度；v表示水面机器人的横荡速度；r表示水面机器人的艏摇角速度；m代表水面机器人的质量；I_z代表水面机器人关于Z轴的转动惯量；l代表水面机器人中两个推进器之间的距离的一半；F_pl表示左推进器的推进力；F_pr代表右推进器的推进力；X_u表示纵荡方向水动力关于纵荡速度的线性水动力导数；Y_v表示横荡方向水动力关于横荡速度的线性水动力导数；Y_r表示横荡方向水动力关于艏摇角速度的线性水动力导数；N_v表示水动力转艏力矩关于横荡速度的线性水动力导数；N_r表示水动力转艏力矩关于艏摇角速度的线性水动力导数；X_u表示纵荡方向水动力关于纵荡加速度的线性水动力导数；Y_v表示横荡方向水动力关于横荡加速度的线性水动力导数；Y_r表示横荡方向水动力关于艏摇角加速度的线性水动力导数；N_v表示水动力转艏力矩关于横荡加速度的线性水动力导数；N_r表示水动力转艏力矩关于艏摇角加速度的线性水动力导数；ΔX表示测量过程中水面机器人受到的纵荡方向干扰力；ΔY表示测量过程中水面机器人受到的横荡方向干扰力；ΔN表示测量过程中水面机器人受到的艏摇方向干扰力矩。