CN109189083B - 一种具有垂推的低速水下航行器的定深控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种具有垂推的低速水下航行器的定深控制方法，属于水下航行器控制领域。该方法不依靠传统的舵面控制方式，而通过安装在不同位置的垂向和侧向推进器完成运动控制。在双环输出反馈控制方法的基础上，设计了基于滑模控制的自适应律，在线估计系统参数不确定及未知干扰的上界，不断地通过当前系统的运行状态与期望状态相比较，通过自适应律来改变控制器，使系统能够达到预期的性能指标。

Description

一种具有垂推的低速水下航行器的定深控制方法
技术领域
本发明涉及水下航行器定深控制技术领域，具体为一种具有垂推的自主水下航行器的“深度+俯仰角”双环输出自适应滑模控制方法。
背景技术
自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)在可广泛用于海底生物资源探查，矿产资源采样，海底地形勘，沉物打捞，地震地热活动监测，海洋环境监测，海洋工程维护等。
AUV具有很强的非线性特性，同时它的航行环境十分复杂，传统的PID控制算法难以胜任。其中姿态控制存在以下几个技术挑战时变性，模型参数甚至结构不确定，未知的外部干扰以及控制输入饱和等，这些问题都给的控制带来了很多困难。由于 AUV在航行过程中流体参数会发生变化，造成模型参数具有不确定性，而且会受到海浪和海流的随机干扰，这要求控制系统必须具有一定的鲁棒性和自适应能力。
滑模控制作为一种特殊的鲁棒控制方法，由于它突出的特点是滑动模态对于系统参数摄动和外界扰动等不确定因素不敏感，这种理想的鲁棒性引起了控制界的极大关注。近二十年来，滑模控制方法在电机控制、机器人、伺服系统、空间飞行器等领域取得成功应用。特别是，随着的不断发展，将滑模控制应用于AUV的研究也越来越成为研究的重要方向。
另外，在实际工程中，由于系统模型参数的不确定和外界干扰的上界通常是无法事先获取的，当选取过大的切换系数会导致系统颤振加剧、控制系统的保守性过强等问题，过小的切换系数会导致系统的不稳定。如何根据模型不确定和外界干扰来设计“自适应”的切换系数是一个很有理论和实际意义的研究问题。
综上所述，一种具有垂推的低速AUV的定深控制还存在以下三个问题：1、AUV 的垂直面运动模型参数具有不确定性；2、海流等外部随机干扰会对AUV的定深控制造成一定的影响；3、若仅用深度量测值进行定深控制，不采用俯仰角信息，会导致系统定深性能下降，甚至稳定性难以保证。
发明内容
本发明针对AUV定深控制中的模型不确定及外部干扰未知问题，同时考虑仅用深度测量值下的控制问题，提出了一种具有垂推的低速水下航行器的定深控制方法，采用“深度+俯仰角”双环反馈的自适应滑模定深控制，在该方法中，基于滑模控制设计了自适应律对模型参数和外部干扰上界进行估计，以保证控制系统有良好的性能。
本发明的技术方案为：
所述一种具有垂推的低速水下航行器的定深控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：建立具有垂推的低速水下航行器垂直面运动模型：
Figure GDA0002769122770000021
其中η＝[z θ]T，v＝[w q]T，μ＝[-ucsinθ 0]T；z为水下航行器在世界坐标系下的垂向位置坐标，θ为俯仰角，w为水下航行器在体坐标系下的垂向速度，q为俯仰角速度，uc为水下航行器在体坐标系下的前向速度；M为水下航行器俯仰质量矩阵； fC(w,q)，fD(w,q)、fG(θ)分别为理想流体产生的力与力矩组成的向量、流体阻尼力与力矩组成的向量、重力与浮力产生的恢复力与力矩组成的向量；Δ为模型不确定项和外界未知干扰，B为分配矩阵，T＝[T1 T2]T为控制输入，T1，T2分别为前垂推和后垂推产生的推力，
Figure GDA0002769122770000022
l1，l2分别为前垂推和后垂推沿水下航行器纵轴方向到水下航行器体坐标系原点的距离；
步骤2：对于步骤1建立的水下航行器垂直面运动模型，采用以下控制律与自适应律进行控制：
所述控制律为：
Figure GDA0002769122770000023
其中fsum＝fC+fD+fG；ηd＝[zd θd]T，zd，θd分别为期望的深度和俯仰角；e为跟踪误差，e＝η-ηd＝[e1 e2]T；参数λ＝diag(λ1 λ2)＞0且满足Hurwitz稳定，参数τ＝diag(τ1 τ2)＞0，
Figure GDA0002769122770000031
为滑模面，滑模面满足
Figure GDA0002769122770000032
sgn(s)＝diag(sign(s1) sign(s2))，sign(·)为符号函数；
所述自适应律为：
Figure GDA0002769122770000033
Figure GDA0002769122770000034
其中
Figure GDA0002769122770000035
分别为ρ1，ρ2的估计值，ρ为模型不确定项和外界未知干扰Δ的上界，k1， k2，ε1，ε2为给定的自适应律参数。
有益效果
本发明不依靠传统的舵面控制方式，而通过安装在不同位置的垂向和侧向推进器完成运动控制，在双环输出反馈控制方法的基础上，设计了基于滑模控制的自适应律，在线估计系统参数不确定及未知干扰的上界，不断地通过当前系统的运行状态与期望状态相比较，通过自适应律来改变控制器，使系统能够达到预期的性能指标。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
附图1为“双环”自适应滑模定深控制原理框图。
附图2为分别采用PID、自适应滑模控制下的深度。
附图3为两种控制律时的深度跟踪误差。
附图4为两种控制律时的深度跟踪误差。
附图5为两种控制律的控制输入。
附图6为滑模面s的变化曲线。
附图7为滑模控制律中的自适应参数值。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本实施例中根据某型号设定模型参数l1＝2.8m，l2＝3m；期望轨迹为：当 0s＜t＜280s时，zd＝-20m，θd＝0，当280s＜t＜600s时，θd＝0，zd＝-40m；控制参数为：λ1＝1，λ2＝1，τ1＝1，τ2＝1；自适应律参数为：k1＝k2＝3，ε1＝0.3，ε2＝30。
首先，建立该水下航行器垂直面运动模型：
Figure GDA0002769122770000041
其中η＝[z θ]T，ν＝[w q]T，μ＝[-ucsinθ 0]T；z为水下航行器在世界坐标系下的垂向位置坐标，θ为俯仰角，w为水下航行器在体坐标系下的垂向速度，q为俯仰角速度，uc为水下航行器在体坐标系下的前向速度；M为水下航行器俯仰质量矩阵； fC(w,q)，fD(w,q)、fG(θ)分别为理想流体产生的力与力矩组成的向量、流体阻尼力与力矩组成的向量、重力与浮力产生的恢复力与力矩组成的向量；Δ为模型不确定项和外界未知干扰，B为分配矩阵，T＝[T1 T2]T为控制输入，T1，T2分别为前垂推和后垂推产生的推力，
Figure GDA0002769122770000042
l1，l2分别为前垂推和后垂推沿水下航行器纵轴方向到水下航行器体坐标系原点的距离。
其次、对于步骤1建立的水下航行器垂直面运动模型，采用以下控制律与自适应律进行控制：
所述控制律为：
Figure GDA0002769122770000043
其中fsum＝fC+fD+fG；ηd＝[zd θd]T，zd，θd分别为期望的深度和俯仰角；e为跟踪误差，e＝η-ηd＝[e1 e2]T；参数λ＝diag(λ1 λ2)＞0且满足Hurwitz稳定，参数τ＝diag(τ1 τ2)＞0，
Figure GDA0002769122770000051
Figure GDA0002769122770000052
为滑模面，滑模面满足
Figure GDA0002769122770000053
sgn(s)＝diag(sign(s1) sign(s2))，sign(·)为符号函数；
所述自适应律为：
Figure GDA0002769122770000054
Figure GDA0002769122770000055
其中
Figure GDA00027691227700000514
分别为ρ1，ρ2的估计值，ρ为模型不确定项和外界未知干扰Δ的上界，k1， k2，ε1，ε2为给定的自适应律参数。
下面针对上述控制律，采用李雅普诺夫稳定性原理证明其稳定性。
选取李雅普诺夫候选函数：
Figure GDA0002769122770000057
其中，
Figure GDA0002769122770000058
对V求关于时间的导数，则有：
Figure GDA0002769122770000059
进一步得到
Figure GDA00027691227700000510
根据如下放缩事实：
Figure GDA00027691227700000511
且存在正常数
Figure GDA00027691227700000512
使不等式
Figure GDA00027691227700000513
成立，则有：
Figure GDA0002769122770000061
其中，κ＝min2τ1，2τ2，k1，k2
Figure GDA0002769122770000062
由此可证，该闭环控制系统是稳定的。
以上所设计的自适应滑模控制器可使AUV垂直面闭环控制系统所有信号都一致有界，且深度和俯仰角误差收敛于原点的领域内。
采用某型水下航行器的模型，采用上述控制器进行控制，并与传统PID控制器进行仿真对比。从仿真图2和3可以看出，本发明所提的控制方法的控制效果优于PID，特别在深度跟踪精度、收敛速度和超调量等方面均优于PID算法。从仿真4可以看出，相对于PID控制方法，本发明的控制方法通过较大的俯仰角来实现较快的深度收敛速度。仿真图5两种控制方法下的控制输入。仿真图6和7分别给出了ρ1和ρ2的估计值，以及滑模面s1和s2的变化曲线，其均是收敛的。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (1)

1.一种具有垂推的低速水下航行器的定深控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：建立具有垂推的低速水下航行器垂直面运动模型：
Figure FDA0002769122760000011
其中η＝[z θ]T，ν＝[w q]T，μ＝[-ucsinθ 0]T；z为水下航行器在世界坐标系下的垂向位置坐标，θ为俯仰角，w为水下航行器在体坐标系下的垂向速度，q为俯仰角速度，uc为水下航行器在体坐标系下的前向速度；M为水下航行器俯仰质量矩阵；fC(w,q)，fD(w,q)、fG(θ)分别为理想流体产生的力与力矩组成的向量、流体阻尼力与力矩组成的向量、重力与浮力产生的恢复力与力矩组成的向量；Δ为模型不确定项和外界未知干扰，B为分配矩阵，T＝[T1 T2]T为控制输入，T1，T2分别为前垂推和后垂推产生的推力，
Figure FDA0002769122760000012
l1，l2分别为前垂推和后垂推沿水下航行器纵轴方向到水下航行器体坐标系原点的距离；
步骤2：对于步骤1建立的水下航行器垂直面运动模型，采用以下控制律与自适应律进行控制：
所述控制律为：
Figure FDA0002769122760000013
其中fsum＝fC+fD+fG；ηd＝[zd θd]T，zd，θd分别为期望的深度和俯仰角；e为跟踪误差，e＝η-ηd＝[e1 e2]T；参数λ＝diag(λ1 λ2)＞0且满足Hurwitz稳定，参数τ＝diag(τ1 τ2)＞0，
Figure FDA0002769122760000014
为滑模面，滑模面满足
Figure FDA0002769122760000015
sgn(s)＝diag(sign(s1) sign(s2))，sign(·)为符号函数；
所述自适应律为：
Figure FDA0002769122760000016
Figure FDA0002769122760000021
其中
Figure FDA0002769122760000022
分别为ρ1，ρ2的估计值，ρ为模型不确定项和外界未知干扰Δ的上界，k1，k2，ε1，ε2为给定的自适应律参数。
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