CN104898688B - Uuv四自由度动力定位自适应抗扰滑模控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种UUV四自由度动力定位自适应抗扰滑模控制系统及控制方法。包括第一微分器、第二微分器、自适应抗扰滑模控制器、滤波和数据融合单元、多普勒传感器、电罗经、推力分配单元、UUV、加速度计和陀螺仪。自适应抗扰滑模控制器包括滑模控制器、自适应扰动补偿控制器和数据处理单元。滑模控制器用于实现UUV四自由度动力定位的变结构控制，消除位姿误差。自适应扰动补偿控制器则用于在线估计实际被控对象模型的不确定性误差和海浪扰动作用。本发明改善系统状态趋近滑模面的动态过程，提高稳态抗扰性能。因此与普通滑模控制方法相比具有更好的动态性能并减小了扰动作用下系统的抖震。

Description

UUV四自由度动力定位自适应抗扰滑模控制系统及控制方法

技术领域

本发明属于UUV自动控制领域，尤其涉及一种能够将滑模控制和自适应控制相结合的，UUV四自由度动力定位自适应抗扰滑模控制系统及控制方法。

背景技术

随着水下无人航行器技术的发展，水下无人航行器(UUV)的功能日益强大。UUV在近水面作业时，其本体要求稳定地保持一定的位置和姿态，为保证任务模块正常工作提供较稳定的位姿基础。然而由于海洋环境复杂多变，海浪及海流对近水面作业的UUV产生不确定性扰动作用，加之UUV动力学模型具有很强的耦合性和非线性，使UUV近水面作业动力定位控制面临很大困难。目前在船舶动力定位控制领域常用的控制方法为PID控制，该方法设计简单且行之有效，但在实际应用中，由于被控对象模型参数摄动，模型非线性特性等因素导致PID控制的性能下降，在海浪未知干扰力的作用下会产生较大幅度的摇动。很难满足近水面作业时的位姿稳定性要求。Nguyen等设计了一种用于ROV定位的自适应PD控制方法。其中，自适应律对扰动和不确定量进行估计，将该估计值叠加到PD控制器的输出端，有效削弱了扰动和不确定量的影响。此外，自适应控制，模糊控制和神经网络在动力定位领域也有广泛应用，Morishita等将Fossen和Strand设计的观测器和反推控制器相结合提出了一种改进的动力定位控制策略。杜佳璐等利用RBF神经网络在线学习船体运动数学模型并利用，利用李亚普诺夫方法证明了该方法可使系统偏差稳定收敛。Wallace M.Bessa等提出了一种用于ROV控制的模糊滑模控制器，相比于他之前提出的ROV深度控制方法，该方法的跟踪误差矢量有更小的收敛域。

滑模变结构控制是一种特殊的非线性控制，其特点是根据系统的状态实现切换控制，迫使系统按照滑动模态运动，是一种对系统参数摄动不灵敏的非线性控制。UUV在动力定位过程中会受到海浪扰动作用，滑模控制器需要有更大的切换增益来维持系统稳定，然而这样却加剧了系统的抖震。对现有的技术文献检索发现，KAWAMURA A等人设计了一种全新的观测器观测外界干扰和模型不确定性误差，并进行前馈补偿控制，有效地降低了系统抖震。但观测器的设计过程复杂，对模型的依赖程度大，对于模型不确定性较大的系统观测器的估计精度不高。G.R.Ansarifar等针对非最小相位系统设计了一种具有动态滑模面的滑模控制器，基于李亚普诺夫方法的自适应律在线估计系统参数。并利用该参数使滑模面具有期望的运动规律。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有抗扰性能的UUV四自由度动力定位自适应抗扰滑模控制系统，本发明的目的还包括提供一种具有强稳定性的UUV四自由度动力定位自适应抗扰滑模控制方法。

UUV四自由度动力定位自适应抗扰滑模控制系统，包括第一微分器、第二微分器、自适应抗扰滑模控制器、滤波和数据融合单元、多普勒传感器、电罗经、推力分配单元、UUV、加速度计和陀螺仪；

多普勒传感器采集UUV的横荡、纵荡和升沉速度，分别传送给滤波和数据融合单元和自适应抗扰滑模控制器；

电罗经采集UUV的艏向角速度，分别传送给滤波和数据融合单元和自适应抗扰滑模控制器；

滤波和数据融合单元根据接收到的信息，计算出世界坐标系下的四自由度位姿矢量和四自由度速度矢量传送给自适应抗扰滑模控制器；

将四自由度期望位姿矢量经过第一微分器，得到一阶微分值传送给自适应抗扰滑模控制器；将一阶微分值输入给第二微分器，得到二阶微分值传送给自适应抗扰滑模控制器；

加速度计采集UUV的加速度矢量传送给自适应抗扰滑模控制器；

陀螺仪采集UUV的艏向角速度传送给自适应抗扰滑模控制器；

自适应抗扰滑模控制器根据接收的信号和输入的四自由度期望位姿矢量，计算出控制作用力和力矩矢量，传送给推力分配单元；

推力分配单元根据接收的信号计算出推力矢量传送给UUV，推动UUV运动。

UUV四自由度动力定位自适应抗扰滑模控制系统，还可以包括：

1、自适应抗扰滑模控制器包括滑模控制器、自适应扰动补偿控制器和数据处理单元，

数据处理单元接收加速度矢量、艏向角速度和横荡、纵荡和升沉速度，得到滑动模态矢量对时间的一阶微分传送给自适应扰动补偿控制器；

滑模控制器接收四自由度期望位姿矢量、一阶微分值、二阶微分值、四自由度速度矢量、四自由度位姿矢量、艏向角速度和横荡、纵荡和升沉速度，得到滑模控制律、滑动模态矢量s和趋近律矢量r，将滑动模态矢量s和趋近律矢量r传送给自适应扰动补偿控制器，将滑模控制律传送给数据处理单元；

自适应扰动补偿控制器根据接收到的信号，得到四自由度扰动作用力和力矩的估计值，传送给数据处理单元；

数据处理单元将接收到的四自由度扰动作用力和力矩的估计值叠加到滑模控制律上，得到控制作用力-力矩矢量。

UUV四自由度动力定位自适应抗扰滑模控制系统的控制方法，包括以下步骤，

步骤一：多普勒传感器采集UUV的横荡、纵荡和升沉速度，电罗经和陀螺仪采集UUV的艏向角速度，加速度计采集UUV的加速度矢量；

步骤二：滤波和数据融合单元根据接收到的横荡、纵荡和升沉速度和艏向角速度，计算出世界坐标系下的四自由度位姿矢量和四自由度速度矢量；

步骤三：将四自由度期望位姿矢量经过第一微分器，得到一阶微分值传送给自适应抗扰滑模控制器；将一阶微分值输入给第二微分器，得到二阶微分值传送给自适应抗扰滑模控制器；步骤四：自适应抗扰滑模控制器根据接收的横荡、纵荡和升沉速度、艏向角速度、加速度矢量、四自由度位姿矢量、四自由度速度矢量、一阶微分值和二阶微分值，计算得到控制作用力和力矩矢量；

步骤五：推力分配单元根据接收的信号计算出推力矢量传送给UUV，推动UUV运动。

UUV四自由度动力定位自适应抗扰滑模控制系统的控制方法，还可以包括：

1、自适应抗扰滑模控制器得到控制作用力和力矩矢量的过程为：

步骤一：将四自由度位姿矢量和输入的四自由度期望位姿矢量作差得到四自由度位姿误差矢量，传送给滑膜控制器；

步骤二：数据处理单元接收加速度矢量、艏向角速度和横荡、纵荡和升沉速度，得到滑动模态矢量对时间的一阶微分传送给自适应扰动补偿控制器；

步骤三：滑模控制器接收四自由度期望位姿矢量、一阶微分值、二阶微分值、四自由度速度矢量、四自由度位姿矢量、艏向角速度和横荡、纵荡和升沉速度，得到滑模控制律、滑动模态矢量s和趋近律矢量r，将滑动模态矢量s和趋近律矢量r传送给自适应扰动补偿控制器，将滑模控制律传送给数据处理单元；

步骤四：自适应扰动补偿控制器根据接收到的信号，得到四自由度扰动作用力和力矩的估计值，传送给数据处理单元；

步骤五：数据处理单元将接收到的四自由度扰动作用力和力矩的估计值叠加到滑模控制律上，得到控制作用力-力矩矢量。

2、自适应抗扰滑模控制器包括滑模控制器、自适应扰动补偿控制器和数据处理单元，

自适应抗扰滑模控制器为：

r＝-Rsgn(s)-Ks

其中，s为四自由度滑模矢量，sgn(s)为矢量s的符号函数，η＝[x,y,z,ψ]^T为固定坐标系四自由度位姿矢量，η_d为四自由度期望位姿矢量，B(η)∈R^4×4为正定的非奇异矩阵，

自适应扰动补偿控制器为：

其中，e＝η_d-η为四自由度位姿误差矢量，矩阵R∈D^4×4、K∈D^4×4和C∈D^4×4为参数矩阵，d_L为扰动及不确定量对时间的一阶偏导的下界，d_H为扰动及不确定量对时间的一阶偏导的上界。

有益效果：

本发明的特色是将自适应控制与基于趋近律的滑模控制相结合，利用UUV配备的传感系统的特点，通过测量对比UUV实际运动状态和趋近律所描述的运动状态实现对扰动及不确定量的估计，并引入扰动和不确定量对时间的一阶偏导的界保证系统的稳定性。

本发明的优点在于适用于具有强耦合性、严重非线性与时变性的UUV动力定位系统，能够保证UUV在建模误差和海浪扰动作用的影响下其运动状态仍能按给定趋近律逼近滑模面，具有很强的鲁棒性。由于引入了对扰动的补偿作用，滑模控制器不需要提供较大的切换增益以维持扰动作用下系统的稳定性，减小了系统的抖震，使UUV近水面作业动力定位控制系统具有更好的稳态抗扰性能。

本发明利用李亚普诺夫方法设计自适应律，通过对比实际运动规律与趋近律所描述的运动规律估计由外界扰动和建模误差产生的不确定量。具有易于实现，受模型参数摄动影响小特点。自适应扰动抑制滑模控制律能够有效降低抖震，改善了系统的抗扰性能。

附图说明

图1为本发明UUV四自由度动力定位控制系统结构框图。

图2为本发明UUV四自由度动力定位滑模变结构控制器的原理框图。

图3为UUV纵移阶跃响应曲线。

图4为UUV横移阶跃响应曲线。

图5为UUV下潜阶跃响应曲线。

图6为UUV转艏阶跃响应曲线。

图7为本发明的述控制器与普通滑模控制器的X轴的稳态性能对比图。

图8为本发明的述控制器与普通滑模控制器的Y轴的稳态性能对比图。

图9为本发明的述控制器与普通滑模控制器的Z轴的稳态性能对比图。

图10为本发明的述控制器与普通滑模控制器的航向角的稳态性能对比图。

图11扰动作用力估计仿真。

图12扰动作用力矩估计仿真。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明的主要目的在于基于状态空间模型体系提出一种具有较强稳定性和动态抗扰性能的UUV自适应动力定位控制技术，为UUV近水面作业提供相对稳定的位姿基础，即UUV四自由度动力定位滑模自适应控制方法。

1.UUV的四自由度动力学模型

本发明的系统涉及横荡，纵荡，升沉和艏摇四个自由度的动力定位控制。设p≡0，q≡0。UUV四自由度动力学模型可由如下非线性微分方程描述：

其中：

M∈R^4×4——惯量矩阵(非奇异)

v＝[u,v,w,r]^T∈R⁴——船体坐标系下UUV的速度矢量；

——UUV运动产生的四自由度艇体水动力；

u——UUV速度矢量在船体坐标系x轴上的投影；

v——UUV速度矢量在船体坐标系y轴上的投影；

w——UUV速度矢量在船体坐标系z轴上的投影；

r——UUV角速度矢量在船体坐标系z轴上的投影；

UUV在固定坐标系下的四自由度动力学模型为：

B(η)＝J(η)M^-1 (4)

J(η)∈R^4×4——四自由度坐标变换矩阵；

B(η)∈R^4×4——正定的非奇异矩阵；

η＝[x,y,z,ψ]^T；——固定坐标系四自由度位姿矢量；

2.自适应扰动抑制滑模控制律

针对公式(3)所描述的UUV四自由度动力学系统，保证UUV四自由度位姿渐进稳定于矢量η_d所描述的位置和姿态，且能对扰动作用实现较精确估计的自适应扰动补偿滑模控制律如下：

r＝-Rsgn(s)-Ks (6)

s为四自由度滑模矢量，sgn(s)为矢量s的符号函数。

四自由度扰动作用力和力矩的估计律为：

其中，取e＝η_d-η为四自由度位姿误差矢量。矩阵R∈D^4×4、K∈D^4×4和C∈D^4×4为参数矩阵,其对角线元素均为大于零的常数。d_L为扰动及不确定量对时间的一阶偏导的下界，d_H为扰动及不确定量对时间的一阶偏导的上界。需要根据实际情况选取以保证系统的稳定性。上述控制器的稳定性可通过选取如下Lyapunov函数证得。

将式(6)所述的控制律代入(3)有

其中，矢量和ν可由UUV配备的加速度传感器，陀螺仪，电罗经以及多普勒传感器的测量得到。同理，通过上述传感器的测量值也可计算得到矢量r。式(11)的作用是评估估计值与实际扰动作用力和力矩的大小关系，所以并不要求其计算结果很精确。系数矩阵R、K直接决定动力定位系统的动态性能，实际设计时可参考下文的仿真参数，根据各调节参数对系统响应的大致影响，选取多组测试参数进行反复试验，直到系统达到满意的响应，从而确定合适的控制器参数。

图1中UUV四自由度动力定位自适应抗扰滑模控制方法的实现装置包括：微分器1、自适应抗扰滑模控制器2、滤波和数据融合算法3、滑模控制器4、自适应扰动补偿控制器5、数据处理单元6、多普勒传感器7、电罗经8、推力分配单元9、水下无人航行器10、积分器11。UUV运动状态112由四自由度运动状态矢量和四自由度加速度矢量两部分描述。其中，横荡速度v、纵荡速度u和升沉速度w通过多普勒传感器7测量得到。艏向角速度r通过电罗经8和陀螺仪测得，这四个物理量构成运动状态矢量110。横荡、纵荡和升沉加速度由加速度传感器测得，艏向角加速度则通过对陀螺仪输出信号求一阶微分获得，这四个物理量构成加速度矢量107。通过滤波和数据融合单元3计算得到世界坐标系下的四自由度位姿矢量106和四自由度速度矢量105。期望位姿矢量101经微分器1计算一阶微分103和二阶微分102。横荡、纵荡和升沉速度、艏向角速度、加速度矢量、四自由度位姿矢量、四自由度速度矢量、一阶微分值和二阶微分值输入给自适应抗扰滑模控制器2，输出控制作用力-力矩矢量109至推力分配单元，包括横荡控制力Y_p，纵荡控制力X_p，垂荡控制力Z_p和艏摇控制力矩N_p，计算出每个推进器的期望输出推力，得到分配推力矢量111。F₁～F₆为UUV配备的各推进器提供的推力，推进器按期望推力调整转速推动UUV运动，实现四自由度动力定位控制。

图2中，UUV四自由度动力定位自适应抗扰滑模控制器包括：基于趋近律的滑模控制器4、自适应扰动补偿控制器5和数据处理单元6。数据处理单元的输入数据分为两组，其中第一组为加速度矢量107和运动状态矢量110，利用式13和式14计算并输出滑动模态矢量对时间的一阶微分第二组为滑模控制器输出的滑模控制律114和扰动补偿控制器输出的四自由度扰动作用力和力矩估计矢量113，数据处理单元将各自由度扰动的估计值叠加到滑模控制律矢量之上进而输出自适应控制力-力矩矢量109。滑模控制器的输入为世界坐标系下的四自由度速度矢量105和位姿矢量106、位置和姿态的给定值矢量101及其对时间的一阶微分102和二阶微分103。滑模控制器首先将101与106做差得到四自由度位姿误差矢量104，其次利用滑模控制算法输出UUV四自由度动力定位滑模控制律、滑动模态矢量s和趋近律矢量r。自适应扰动补偿控制器的输入为：滑动模态矢量s、滑动模态矢量对时间的微分108和趋近律矢量r，通过对比理想指数趋近律和UUV实际运动状态在线评估扰动作用力的估计误差，输出四自由度扰动作用力和力矩矢量的估计值到数据处理单元6。在实施UUV四自由度动力定位控制之前，首先要对滑模控制器的系数矩阵C、R和K进行设置。由于自适应扰动补偿律是通过比对实际运动状态和理想趋近律所描述的运动状态实现对外界扰动作用和模型不确定性误差的估计的，因此要根据UUV的动力定位能力合理地设计指数趋近律的参数矩阵。

图1中，101为四自由度期望位姿矢量n_d，102为四自由度期望位姿矢量对时间的二阶导103为四自由度期望位姿矢量对时间的一阶导104为四自由度位姿误差矢量e，105为四自自由度速度矢量106为四自由度位姿矢量n，107为加速度矢量，108为滑模矢量的微分，109为控制作用力-力矩矢量，110为运动状态矢量，111为分配推力矢量，112为UUV运动状态。

图3-图6为UUV近水面四自由度动力定位控制在扰动作用下的阶跃响应曲线。仿真结果包括四自由度动力定位控制系统的位置及姿态响应和四自由度位姿的控制输入。

图7-图10为有扰动作用下本发明的自适应抗扰滑模控制方法与普通滑模控制方法稳态性能的对比图，仿真结果包括四自由度动力定位控制系统的位置及姿态稳态响应曲线以及四自由度位姿的控制输入信号。

图11-图12为扰动作用力和力矩与四自由度自适应扰动补偿律提供的补偿作用力和力矩的对比图，仿真结果包括四个自由度上的扰动作用力和力矩、四个自由度上的自适应扰动补偿力和力矩。其中，沿η轴和ζ轴正方向上施加幅值为100N，周期为2s的正弦扰动作用力，沿ζ轴正方向施加幅值为100N·m，周期为2s的正弦扰动作用力矩。在ξ轴方向上不施加扰动作用力。

从图3-图12的仿真结果可以看出，对于有界扰动作用下的UUV四自由度动力定位控制系统，在控制器参数选择合适的情况下，无论是传统的滑模控制器还是本发明的自适应抗扰滑模控制器都能保证足够的稳定裕度和定位精度。然而两种控制器的抗扰能力不同，与传统滑模控制器相比，本发明的自适应抗扰滑模控制器具有更好的鲁棒性和抗扰性能。对于动态响应过程而言，本发明的自适应抗扰滑模控制器能克服模型参数摄动的影响，使UUV四自由度动力定位的动态过程更加严格地按期望趋近律到达滑模面。而对于稳态过程，因为自适应扰动补偿律可以实现对扰动作用较精确的估计，提供抵抗扰动作用力的补偿控制效果，所以本发明的控制器削弱了扰动作用下系统的抖震，并具有更好的稳态抗扰性能。在对外界扰动和模型不确定性误差的估计方面，鲁棒控制是通过引入扰动及模型不确定性误差的上界保证系统的稳定性。而本发明的扰动补偿自适应律引入的是扰动及模型误差微分的上界，其优点为：1、提高了对扰动及模型误差估计的精度。2、扰动补偿自适应律中基于微分上界的切换率经积分作用平滑后输出，可降低系统的抖震。

对应以下仿真结果使用的参数为：

Claims (4)

1.UUV四自由度动力定位自适应抗扰滑模控制系统，其特征在于：包括第一微分器、第二微分器、自适应抗扰滑模控制器、滤波和数据融合单元、多普勒传感器、电罗经、推力分配单元、UUV、加速度计和陀螺仪；

多普勒传感器采集UUV的横荡、纵荡和升沉速度，分别传送给滤波和数据融合单元和自适应抗扰滑模控制器；

电罗经采集UUV的艏向角速度，分别传送给滤波和数据融合单元和自适应抗扰滑模控制器；

滤波和数据融合单元根据接收到的信息，计算出世界坐标系下的四自由度位姿矢量和四自由度速度矢量传送给自适应抗扰滑模控制器；

将四自由度期望位姿矢量经过第一微分器，得到一阶微分值传送给自适应抗扰滑模控制器；将一阶微分值输入给第二微分器，得到二阶微分值传送给自适应抗扰滑模控制器；

加速度计采集UUV的加速度矢量传送给自适应抗扰滑模控制器；

陀螺仪采集UUV的艏向角速度传送给自适应抗扰滑模控制器；

自适应抗扰滑模控制器根据接收的信号和输入的四自由度期望位姿矢量，计算出控制作用力和力矩矢量，传送给推力分配单元；

推力分配单元根据接收的信号计算出推力矢量传送给UUV，推动UUV运动。

2.根据权利要求1所述的UUV四自由度动力定位自适应抗扰滑模控制系统，其特征在于：

所述的自适应抗扰滑模控制器包括滑模控制器、自适应扰动补偿控制器和数据处理单元，

数据处理单元接收加速度矢量、电罗经采集UUV的艏向角速度和横荡、纵荡和升沉速度，滑模控制器得到滑动模态矢量对时间的一阶微分传送给自适应扰动补偿控制器；

滑模控制器接收四自由度期望位姿矢量、一阶微分值、二阶微分值、四自由度速度矢量、四自由度位姿矢量、艏向角速度和横荡、纵荡和升沉速度，得到滑模控制律、滑动模态矢量s和趋近律矢量r，将滑动模态矢量s和趋近律矢量r传送给自适应扰动补偿控制器，将滑模控制律传送给数据处理单元；

自适应扰动补偿控制器根据接收到的信号，得到四自由度扰动作用力和力矩的估计值，传送给数据处理单元；

数据处理单元将接收到的四自由度扰动作用力和力矩的估计值叠加到滑模控制律上，得到控制作用力-力矩矢量。

3.基于权利要求1所述的UUV四自由度动力定位自适应抗扰滑模控制系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤一：多普勒传感器采集UUV的横荡、纵荡和升沉速度，电罗经和陀螺仪采集UUV的艏向角速度，加速度计采集UUV的加速度矢量；

步骤二：滤波和数据融合单元根据接收到的横荡、纵荡和升沉速度和电罗经采集UUV的艏向角速度，计算出世界坐标系下的四自由度位姿矢量和四自由度速度矢量；

步骤三：将四自由度期望位姿矢量经过第一微分器，得到一阶微分值传送给自适应抗扰滑模控制器；将一阶微分值输入给第二微分器，得到二阶微分值传送给自适应抗扰滑模控制器；

步骤四：自适应抗扰滑模控制器根据接收的横荡、纵荡和升沉速度、艏向角速度、加速度矢量、四自由度位姿矢量、四自由度速度矢量、一阶微分值和二阶微分值，计算得到控制作用力和力矩矢量；

步骤五：推力分配单元根据接收的信号计算出推力矢量传送给UUV，推动UUV运动。

4.根据权利要求3所述的UUV四自由度动力定位自适应抗扰滑模控制系统的控制方法，其特征在于：所述的自适应抗扰滑模控制器得到控制作用力和力矩矢量的过程为：

步骤一：将四自由度位姿矢量和输入的四自由度期望位姿矢量作差得到四自由度位姿误差矢量，传送给滑膜控制器；

步骤二：数据处理单元接收加速度矢量、电罗经采集UUV的艏向角速度和横荡、纵荡和升沉速度，得到滑动模态矢量对时间的一阶微分传送给自适应扰动补偿控制器；

步骤三：滑模控制器接收四自由度期望位姿矢量、一阶微分值、二阶微分值、四自由度速度矢量、四自由度位姿矢量、艏向角速度和横荡、纵荡和升沉速度，得到滑模控制律、滑动模态矢量s和趋近律矢量r，将滑动模态矢量s和趋近律矢量r传送给自适应扰动补偿控制器，将滑模控制律传送给数据处理单元；

步骤四：自适应扰动补偿控制器根据接收到的信号，得到四自由度扰动作用力和力矩的估计值，传送给数据处理单元；

步骤五：数据处理单元将接收到的四自由度扰动作用力和力矩的估计值叠加到滑模控制律上，得到控制作用力-力矩矢量。