CN103324201A - 救生艇救生对接过程的姿态控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种救生艇救生对接过程的姿态控制方法，包括有限时间状态观测器(3)、干扰估计器(6)、线速度镇定回路(7)、姿态控制回路(8)和传感器装置(13)。本发明包括了一个有限时间状态观测器，通过对位置和姿态传感器信息进行处理，快速得到救生艇的线速度和角速度信息，从而用于控制器使用，干扰估计器可以估计和补偿由海流及脐带缆等造成外界干扰力的作用。本发明适用于全驱动的救生艇，在恶劣救生环境下的对接作业过程，能够使救生艇有效的抵抗外界干扰力作用，并在有限时间内使救生艇的三个姿态角跟踪到给定值，从而实现与失事艇的对接救生。

Description

救生艇救生对接过程的姿态控制方法

技术领域

本发明涉及的是一种救生艇自动对接过程姿态控制方法。

背景技术

事故艇的倾斜角度大、海底地形复杂或海流大，都会给救生作业带来很大的困难。对于固定对接裙体的救生艇，不可避免的需要调整其姿态，使对接裙口与事故艇的倾角保持一致，才能实现对接救生操作。虽然现在国内外专家已经研制出带有活动转裙的救生艇，可以在艇体保持水平的情况下与较大倾角的事故艇实现对接，但当由海流和脐带缆造成的外界干扰力较大时，或事故艇倾斜角度过大时，仍然需要救生艇调整姿态，以更好的与事故艇的对接。因此有必要对救生艇自动对接过程中的姿态控制进行研究，以使得救生艇能够快速准确的调整到期望的姿态角。

《哈尔滨工程大学学报》2001年发表的《深潜救生艇定位过程滑模控制》中，针对哈尔滨工程大学的六自由度救生艇BSAV-1，利用滑模控制的方法设计了救生艇的六自由度控制器，其控制方案的核心是推力分配算法，利用避免螺旋桨推进器进入饱和工作区以减小控制带来的耦合作用。2004年在《应用科技》发表的《深潜救生艇对接过程的监督控制》将混杂动态系统理论应用于对接过程，设计监督控制器来检测位置和姿态偏差是否控制在设定的阈值内，进行逻辑和事件层次上的分析和研究，从而对救生艇的对接过程进行运动控制。目前对于救生艇的对接过程都是针对四自由度或六自由度的对接过程进行整体控制的，控制过程中不利于实时监控，在实际操作中可能会产生一些不安全因素，且控制方法较为复杂，不利于实现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够使救生艇抵抗外界干扰力的作用，实现定点的姿态调整，并使救生艇的姿态在有限时间内达到期望值的救生艇救生对接过程的姿态控制方法。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

包括有限时间状态观测器3、干扰估计器6、线速度镇定回路7、姿态控制回路8、传感器装置13组成；线速度镇定回路的作用是将救生艇的纵向速度，横移速度和垂向速度镇定到零点，从而为救生艇的定点姿态调整做准备。姿态控制回路的作用是实现救生艇艏摇、横摇、纵摇三个自由度的姿态控制，为下一阶段救生艇的对口救生做准备。

上述姿态控制系统的具体实现方法如下：

1)传感器装置13包括位置传感器2和角度传感器12，分别测量救生艇的位置和姿态信息，并将采集到的信息传递给有限时间状态观测器3和姿态控制回路；

2)有限时间状态观测器3接收位置传感器2和角度传感器12的测量信息和姿态控制回路提供的等效输入值，得到线速度和角速度的估计值，并将线速度的估计值

传递给线速度镇定回路，将角速度的估计值

传递给姿态控制回路；

3)干扰估计器6根据有限时间状态观测器3提供的线速度及角速度估计值和姿态角虚拟控制器11产生的虚拟跟踪角速度值，在线估计外界干扰力作用，并提供给线速度镇定回路和姿态控制回路；

4)线速度镇定回路7由线速度输入变换器4和线速度有限时间镇定器5两部分组成，线速度有限时间镇定控制器5根据救生艇的当前速度的估计值

，计算出系统的等效控制输入值u₁，线速度输入变换器根据等效输入值u₁和干扰力Δf₁，计算出控制力τ₁；

5)姿态控制回路8由姿态角虚拟控制器11、角速度有限时间虚拟跟踪控制器9和角速度输入变换器10组成，姿态角虚拟跟踪控制器是根据姿态误差系统设计的，根据期望姿态角η_2d和接收到的角度传感器数据，根据李雅普诺夫方法产生虚拟跟踪角速度ν_2d，角速度有限时间虚拟跟踪控制器9接收角速度估计值

和虚拟跟踪速度ν_2d，产生等效控制输入值u₂，角速度输入变换器根据等效输入u₂和干扰力Δf₂，计算出控制力τ₂。

利用李雅普诺夫方法设计干扰估计器，干扰估计器通过虚拟速度跟踪误差来估计外界干扰力的作用，外界干扰力包括海流作用力和脐带缆的作用力，以及恢复力中的不确定部分

在救生艇的控制过程中，采用一种新型的饱和函数来设计有限时间控制器和观测器，使救生艇的线速度能够在有限时间内收敛到零，角速度在有限时间内跟踪虚拟速度，并削弱由于符号函数存在引起的抖震。

本发明适用于全驱动的救生艇，在恶劣救生环境下的对接作业过程，能够使救生艇有效的抵抗外界干扰力作用，并在有限时间内使救生艇的三个姿态角跟踪到给定值，从而实现与失事艇的对接救生。

附图说明

图1救生艇姿态控制系统总体结构图；

图2救生艇姿态调整过程；

图3救生艇线速度和加速度变化曲线；

图4有限时间观测器观测误差曲线；

图5控制力及力矩。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行更详细地描述。

如图1所示，本发明涉及一种针对救生艇救生对接过程的姿态控制系统，包括：1—救生艇；2—位置传感器；3—有限时间状态观测器；4—线速度输入变换器；5—线速度有限时间镇定控制器；6—干扰估计器；7—线速度镇定回路；8—姿态控制回路；9—角速度有限时间虚拟跟踪控制器；10—角速度输入变换器；11—姿态角虚拟控制器；12—角度传感器；13—传感器装置。

位置传感器2测量得到救生艇的位置数据η₁=[x,y,z]^T，角度传感器12测量得到救生艇的姿态数据

其中x,y,z分别是救生艇纵向、横向和垂向的位置坐标，

分别是救生艇的纵摇角、横摇角和艏摇角。传感器将采集到的数据传递给有限时间状态观测器3：

$\stackrel{\stackrel{\·}{^}}{\mathrm{\η}}=J\left({\mathrm{\η}}_2\right)\hat{v}+K_1{\left|\right|\mathrm{\η}-\widehat{\mathrm{\η}}\left|\right|}^{\frac{1}{2}}\mathrm{fsat}(\mathrm{\η}-\widehat{\mathrm{\η}})+K_2(\mathrm{\η}-\widehat{\mathrm{\η}})$

$\stackrel{\stackrel{\·}{^}}{v}=u+K_3\mathrm{fat}(\mathrm{\η}-\widehat{\mathrm{\η}})+K_4(\mathrm{\η}-\widehat{\mathrm{\η}})$

其中：

为救生艇的位置和姿态的测量值，为η的估计值，

为救生艇速度的估计值，且

为线速度估计值，

为角速度的估计值；J(η₂)为由随艇坐标系到位置坐标系的位置转换矩阵；K₁、K₂、K₃、K₄为正定增益矩阵， $u={\left[\begin{array}{cc}{u_1}^T& {u_2}^T\end{array}\right]}^T=M^{-1}(\mathrm{\τ}-C\left(v\right)v-D\left(v\right)v-g\left(\mathrm{\η}\right)-\mathrm{\Δ}\hat{f})$ 且有限时间状态观测器的输出为

为控制向量，M、C、D、g分别为救生艇惯性矩阵、科里奥利及向心力矩阵、阻尼矩阵、恢复力的名义值，在上式中利用fsat(x)代替了符号函数，从而保证有效地降低了系统的抖震，并保证系统观测误差能够在有限时间内收敛到零。fsat(x)的形式为：

为设计阈值，α∈(01)为常数。

干扰估计器6

接收有限时间状态观测器3提供的线速度估计值

和角速度的估计值

根据速度跟踪误差来估计外界干扰力和未建模动态的大小。其中

为外界干扰力和未建模动态的估计值，Φ(η)为已知参数回归矩阵；为等效的速度跟踪误差。Γ为正定增益矩阵，ε，β为大于0的设计参数。

线速度镇定回路7由线速度输入变换器4和线速度有限时间镇定器5两部分组成，线速度有限时间镇定控制器5

根据救生艇的当前速度

计算出系统的等效控制输入值u₁，线速度输入变换器根据等效输入u₁和干扰力Δf₁，计算出控制力τ₁=[τ_u τ_v τ_w]^T，来对救生艇的纵向速度、横向速度、垂向速度进行控制，并使其在有限时间趋近于零，从而使救生艇从任意初始速度停止，并维持在当前位置上。其中，K_u1为正定的增益矩阵，τ_uτ_vτ_w分别为纵向、横向和垂向的控制力。

姿态控制回路8由姿态角虚拟控制器11、角速度有限时间虚拟跟踪控制器9和角速度输入变换器10组成，根据救生艇的姿态误差系统 $\left(\begin{array}{c}e={\mathrm{\η}}_2-{\mathrm{\η}}_{2d}\\ \stackrel{\·}{e}=J\left({\mathrm{\η}}_2\right)v-{\stackrel{\·}{\mathrm{\η}}}_{2d}\end{array}\right)$ 设计姿态角虚拟跟踪控制器，姿态角虚拟跟踪控制器根据期望姿态角η_2d和接收到的角度传感器数据，根据李雅普诺夫方法产生虚拟跟踪角速度

角速度有限时间虚拟跟踪控制器9接收角速度估计值

和虚拟跟踪速度ν_2d，产生等效控制输入值

角速度输入变换器根据等效输入u₂和干扰力Δf₂，计算出控制力τ₂＝[τ_p τ_q τ_r]^T，来使救生艇的横摇角速度、纵摇角速度、艏摇角速度有限收敛到ν_2d，从而实现三个姿态角的调整。其中，K_ν1、K_u2为正定增益矩阵，τ_p τ_q τ_r分别为横摇、纵摇和艏摇三个自由度的输入控制力矩。

本发明利用某救生艇的六自由度模型在存在外界干扰的情况下进行了验证，其初始速度为（2m/s 2m/s 2m/s 0deg/s 0deg/s 0deg/s），利用本发明提出的控制系统将其姿态调整到（10deg 10deg 30deg），仿真结果见附图2-图5。

通过对仿真曲线和数据分析后可以看出，在本发明提出的救生艇的姿态控制系统作用下，救生艇能够克服外界干扰力的作用，实现定点姿态调整，并且实现了较高精度的姿态控制。本发明提出的救生艇姿态控制系统不要求艇体安装速度测量装置，本发明提出的有限时间状态观测器能够估计出艇体的线速度和角速度值，并用于控制器使用。从仿真曲线可以看出控制系统达到了较好的控制效果。

Claims (2)

1.一种救生艇救生对接过程的姿态控制方法，包括有限时间状态观测器(3)、干扰估计器(6)、线速度镇定回路(7)、姿态控制回路(8)和传感器装置(13)；其特征是：

1)传感器装置(13)包括位置传感器(2)和角度传感器(12)，分别测量救生艇的位置和姿态信息，并将采集到的信息传递给有限时间状态观测器(3)和姿态控制回路；

2)有限时间状态观测器(3)接收位置传感器(2)和角度传感器(12)的测量信息和姿态控制回路提供的等效输入值，得到线速度和角速度的估计值，并将线速度的估计值

传递给线速度镇定回路，将角速度的估计值

传递给姿态控制回路；

3)干扰估计器(6)根据有限时间状态观测器(3)提供的线速度及角速度估计值和姿态角虚拟控制器(11)产生的虚拟跟踪角速度值，在线估计外界干扰力作用，并提供给线速度镇定回路和姿态控制回路；

4)线速度镇定回路(7)由线速度输入变换器(4)和线速度有限时间镇定器(5)两部分组成，线速度有限时间镇定控制器(5)根据救生艇的当前线速度的估计值计算出系统的等效控制输入值u₁，线速度输入变换器根据等效输入值u₁和干扰力Δf₁，计算出控制力τ₁；

5)姿态控制回路(8)由姿态角虚拟控制器(11)、角速度有限时间虚拟跟踪控制器(9)和角速度输入变换器(10)组成，姿态角虚拟跟踪控制器根据期望姿态角η_2d和接收到的角度传感器数据，根据李雅普诺夫方法产生虚拟跟踪角速度ν_2d，角速度有限时间虚拟跟踪控制器(9)接收角速度估计值

和虚拟跟踪速度ν_2d，产生等效控制输入值u₂，角速度输入变换器根据等效输入u₂和干扰力Δf₂，计算出控制力τ₂。

2.根据权利要求1所述的救生艇救生对接过程的姿态控制方法，其特征是：干扰估计器在线估计外界干扰力作用是通过虚拟速度跟踪误差来估计外界干扰力的作用，外界干扰力包括海流作用力和脐带缆的作用力，以及恢复力中的不确定部分。

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