[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

说明书

本发明提供一种基于有限时间扩展状态观测器的AUV推进器容错控制方法，属于水下机器人控制技术领域，包括：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；根据AUV状态空间方程构建AUV跟踪误差模型；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；构建非奇异快速终端滑模面；步根据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；自适应参数调整方法的设计。本专利能在保持水下机器人跟踪精度的同时减少控制输出抖振及能耗，便于其更好地完成给定任务。

技术领域

本发明专利涉及水下机器人控制技术领域，特别是涉及一种适用于具有较高精度且控制输出抖振及能耗小的任务需求的自主式水下机器人容错控制方法。

背景技术

自主式水下机器人(AUV：Autonomous Underwater Vehicle)无人无缆工作在复杂海洋环境，安全性和可靠性是AUV完成作业任务的前提，容错控制是保障AUV安全性和可靠性的关键技术之一。推进器是AUV的主要动力驱动装置，也是负荷最重的部件，也是最容易发生故障的部件，如果推进器一旦发生故障，系统稳定性将被破坏，控制性能显著降低，甚至会导致AUV的丢失。因此，针对AUV推进器故障的容错控制是目前AUV领域的研究热点之一。

扩展状态观测器是评估和补偿综合和集中故障或不确定性的有效且实用的方法，目前该类控制方法在水下机器人领域受到较多关注。针对现有技术中的控制方法中扩展状态观测器与控制器的设计共享一个终端滑模面的方法，理论分析发现：该控制策略是基于非奇异终端滑模设计扩展状态观测器，该终端滑模面求导后集中扰动项的系数为速度误差的分数次幂项(分数幂的值在0到1之间)，所以当设计控制律用到集中扰动项时需要观测器的估计值除去该系数来获得，而当速度误差项趋于0时将会导致集中扰动项趋于无穷大，这放大了集中扰动项的波动情况。并且，在该容错控制方法中，扩展状态观测器和控制器共享了一个终端滑模面，即直接将扩展状态观测器中设计的终端滑模面应用在控制器的设计中，所以在推导的控制律中，其控制增益包含速度跟踪误差的分数次幂的伪逆项，而当速度跟踪误差较小时，该增益会变大，起到了放大控制量抖动的负作用，导致控制输出变化程度很剧烈，进而导致能耗增加；此外，当速度跟踪误差为零时，该增益趋于无穷，理论上会出现奇异点。另外，现有的基于扩展状态观测器的容错控制算法的实验研究中控制器的设计多采用常值参数，这会导致绝对跟踪误差的均值、均方差较大。

发明内容

本发明专利的目的：针对现有技术中的控制方法存在精度较低、控制输出抖振较大进而导致能耗增加的问题，提出一种基于有限时间扩展状态观测器的AUV推进器容错控制方法。本发明专利能在保持较高跟踪精度的同时，降低控制输出抖振及能耗。本发明的目的是这样实现的：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。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.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：