[发明专利]基于有限时间扩展状态观测器的AUV推进器容错控制方法

权利要求书

1.基于有限时间扩展状态观测器的AUV推进器容错控制方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一：给出受海流干扰的AUV动力学模型，在推进器故障及动力学模型不确定性下，将AUV动力学模型转换为AUV状态空间方程；

步骤二：根据AUV状态空间方程构建AUV跟踪误差模型；

步骤三：设计有限时间扩展状态观测器，并基于该观测器估计由海流干扰、推进器故障及动力学模型不确定性构成的广义不确定性；

步骤四：构建非奇异快速终端滑模面；

步骤五：根据AUV跟踪误差模型、有限时间扩展状态观测器以及非奇异快速终端滑模面设计控制器；

步骤六：自适应参数调整方法的设计。

2.根据权利要求1所述的基于有限时间扩展状态观测器的AUV推进器容错控制方法，其特征在于：所述的步骤一具体为：综合在海流干扰的AUV动力学模型、推进器故障及动力学模型不确定性，将AUV动力学模型转换为AUV状态空间方程，推导的AUV的状态空间方程为：

其中，d是将海流干扰、推进器故障和动力学模型不确定性合成的广义不确定性；假设始终存在一个常数d₁，使得：d≤d₁。

3.根据权利要求1所述的基于有限时间扩展状态观测器的AUV推进器容错控制方法，其特征在于：所述的步骤二具体为：AUV状态空间方程可描述为二阶系统的形式，通过定义新的辅助变量为：x₁＝η和则AUV跟踪误差模型为：

跟踪误差为：

e₃＝x₁-x_d

跟踪误差的一阶导数为：二阶导数为：

4.根据权利要求1所述的基于有限时间扩展状态观测器的AUV推进器容错控制方法，其特征在于：所述的步骤三具体为：

首先，定义一个积分滑模面：

式中：e₃＝x₁-x_d，e₃为跟踪误差；

对积分滑模面求导，并结合公式得到：

定义以下变量：

W＝d；将上述变量带入，可以得到水下机器人控制系统：

考虑到观测器技术在估计和补偿综合或集中失效或不确定性方面的优越性和有效，定义状态变量z₁＝S₁，并定义了一个扩展状态变量z₂＝W，即，即通过扩展状态变量W估计广义不确定性d；假定g(t)是未知的但有界的，即存在一个正的常数使得将由上述控制的AUV姿态控制系统的数学模型推广为：

设和为上述扩展系统状态的观测值，定义积分滑模面z₁＝S₁的观测误差为：

然后，建立如下有限时间扩展状态观测器：

其中，增益参数满足β₁0，β₂0,和α₂＝2α₁-1。

5.根据权利要求1所述的基于有限时间扩展状态观测器的AUV推进器容错控制方法，其特征在于：所述的步骤四具体为：

在控制器的构造中，设计非奇异快速终端滑模面：

其中，σ₁和σ₂为设计的正增益，L、p为正奇数，且

6.根据权利要求1所述的基于有限时间扩展状态观测器的AUV推进器容错控制方法，其特征在于：所述的步骤五具体为：

对上面公式求导可得：

结合观测误差的二阶导数得：

对于新引入的非奇异快速终端滑模面，提出了一种新的水下机器人姿态控制系统：

其中，k1、k2和f均为设计的正增益，( )⁺为指定矩阵的伪逆运算，即(B)⁺＝B^T(BB^T)^-1。

7.根据权利要求1所述的基于有限时间扩展状态观测器的AUV推进器容错控制方法，其特征在于：所述的步骤六具体为：通过设计了一个时变的参数，通过参数的自适应调整来改善AUV的跟踪精度；控制器参数采用自适应参数确定，而非选用常值，其中自适应参数k₁的设计如下所示：

具体参数设计在仿真实验中确定，自适应参数k₁的设计如下所示：