CN109814583A - 基于自主水下机器人航向运动的动态状态反馈控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自主水下机器人航向运动的动态状态反馈控制方法。本发明提出的技术方案为，首先，根据自主水下机器人航向运动模型特点构建AUV系统航向运动模型，此模型与纵向速度耦合；然后，根据现代控制理论的可控性判据判断系统能否实现极点的任意配置，分析可证明此类模型均具有完全能控性，即可实现极点任意配置，预设期望极点即获得期望特征方程；同时将两控制参数作为待求量代入控制律中，获得含有控制参数的特征方程；本发明通过联立期望特征方程与含有控制参数的特征方程，获取关键控制参数的求取步骤。本控制方法是一种简易、通用的二阶AUV航向动态状态反馈控制方法，该方法也可以推广到其他具有两垂直舵控制航向的AUV系统中。

Description

基于自主水下机器人航向运动的动态状态反馈控制方法

技术领域

本发明设计是一种航向运动控制技术，特别是指自主水下机器人系统控制执行机构为垂直舵，采用纵向速度动态调整状态反馈控制参数的一种方法。

背景技术

精确的航向运动控制是自主水下机器人(AUV-Autonomous Underwater Vehicle)完成水下作业任务的关键，如水下路径跟踪、水下采样、水下焊接等任务，有着重要的作用与意义。然而，AUV系统航向运动模型具有较强的复杂性、非线性与耦合性、外界环境干扰较难描述等特点，增加了AUV系统航向运动控制策略设计的难度。AUV系统航向控制与纵向速度有着较强耦合关系，相互干扰，导致系统航向控制精度变差；且由于AUV系统自身的流行曲线，AUV系统在近水面航行时系统表面积均受外界波浪力影响，为了保证系统具有良好的控制品质，系统控制策略应具有较强的抵抗外界波浪力的能力。

目前国内外关于AUV航向运动控制的控制策略，多以PID(Proportional IntegralDerivative,比例积分微分)控制或其他自适应控制为主。由于AUV系统航向运动模型是一种强耦合于纵向速度的系统，且模型表述形式复杂，系统运动控制方法多计算量大导致系统运动控制反应迟缓。许多专家采用PID控制方法，在AUV外场试验中系统运动控制多采用分段PID控制方法，所谓分段是根据纵向速度不同设置不同的PID控制参数组，各控制参数组需在不同纵向速度下试验获得，故可能需要大量试验才能确定各航速段对应的控制参数，且无法解决纵向速度对航向运动的耦合影响。附图1为PID控制下AUV系统航向运动控制输出结果图，分析附图1知AUV在纵向速度变速瞬间航向有较大抖动。

本发明针对航向运动强耦合于纵向速度特点设计了动态反馈控制法，采用纵向速度动态自动调整状态反馈控制参数的方法解决系统耦合问题。

本发明正是为AUV系统航向运动提供一种可以消弱纵向速度对航向运动耦合影响的简单易行控制方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种适合于AUV航向运动的控制方法。该方法具有参数求解方法简单、便于实现，自适应于被控对象等特点。

本发明的目的是通过如下技术方案实现：

一种基于自主水下机器人航向运动的动态状态反馈控制方法，可动态调整状态反馈控制参数，消弱自主水下机器人(AUV)纵向速度对其航向运动的耦合影响，提高AUV系统抗干扰能力与自适应于被控对象能力，控制方法通用性强，且只有两控制参数k_rk_ψ，该方法包含以下步骤：

(1)构建AUV系统航向运动模型，根据AUV系统航向运动控制特点，构建航向运动状态方程

(2)根据能控性判据知系统完全能控，可实现极点的任意配置，预设期望极点为λ_r、λ_ψ，从而得到加入状态反馈后，系统期望特征方程为E(λ)＝λ²-(λ_r+λ_ψ)λ+λ_rλ_ψ；

(3)设置待求控制参数k_rk_ψ构建状态反馈控制律δ_r(t)＝k_re_r+k_ψe_ψ，将控制律代入条件(1)中航向运动状态方程，得到加入控制律后的特征方程为E(λ)＝λ²-(a+bk_r)λ-bk_ψ；

(4)对比条件(2)的期望特征方程与条件(3)的加入状态反馈控制律的特征方程，可得控制参数k_rk_ψ为

(5)确定状态反馈控制律

ψ——为AUV航向角，单位度；

r——为航向角速度，单位弧度/秒；

e_ψ——为AUV航向角误差即实际航向角与期望航向角的差，单位度；

e_r——为AUV航向角速度误差即实际航向角速度与期望航向角速度的差，单位度；

N_r——系统非线性水动力系数，无单位；

N_δ——系统非线性水动力系数，无单位；

——加速度水动力参数，无单位；

I_zz——转动惯量，无单位；

a——无单位；

b——无单位；

u——为纵向速度，单位米/秒；

λ——为特征方程算子，无单位；

λ_r——为特征方程一期望极点，具有负实部，无单位；

λ_ψ——为特征方程一期望极点，具有负实部，无单位；

k_r——为状态反馈控制律一控制参数，随着纵向速度与模型参数变化，无单位；

k_ψ——为状态反馈控制律一控制参数，随着纵向速度与模型参数变化，无单位；

δ_r——为状态反馈控制律，物理表述为AUV系统垂直舵输出角度，随着纵向速度与模型参数变化而变化，单位度。

所述的两控制参数k_rk_ψ实现纵向速度动态调整，通过以下方法得到：

权利要求1条件(2)的期望特征方程与权利要求1条件(3)的特征方程联立E(λ)＝λ²-(λ_r+λ_ψ)λ+λ_rλ_ψ＝λ²-(a+bk_r)λ-bk_ψ根据方程两边对应系数相等，推出

控制参数所含动态量的约束条件；所述的两系数a，b描述知控制参数k_rk_ψ随着纵向速度变化而变化，其主要表现为控制参数所含两系数与均包含纵向速度；控制参数分母b含有纵向速度，为了避免由于纵向速度过低导致控制参数过大，造成系统控制执行机构垂直舵长时间处于满舵状态，本发明对两控制参数所含纵向速度进行约束，约束条件为适用于动态反馈控制律δ_r(t)。

本发明所研究AUV系统航向运动控制方法，可有效解决耦合项纵向速度对航向的影响，提高AUV系统控制品质。AUV系统水面试验表明所提动态状态反馈控制方法对外界环境具有较强的抗干扰能力，水下试验表明该控制算法具有无超调、响应快且静态误差小等特点，保证了系统航向运动的控制品质；可消弱耦合项间的相互干扰问题，通用性强，并在两套AUV系统中进行了湖泊试验验证。

本发明的优点：本计算方法是一种精确、高效、易于实现的基于AUV航向运动的动态反馈控制方法，该方法通用性强也可推广到其他以垂直舵控制航向的AUV系统使用。

附图说明

图1-1为PID航向运动控制输出结果图；

图1-2为PID航向误差运动控制输出结果图；

图1-3为PID纵向速度控制输出结果图；

图2为本发明航向运动控制方框图；

图3-1为本发明水面航行航向运动输出结果图；

图3-2为本发明水面航行航向误差运动输出结果图；

图3-3为本发明水面航行航向运动输出结果图；

图4-1为本发明水下航行航向运动输出结果图；

图4-2为本发明水下航行航向误差运动输出结果图；

图4-3为本发明水下航行纵向速度运动输出结果图；

图5-1为本明嵌入第二套AUV系统，水下航行航向运动输出结果图；

图5-2为本发明嵌入第二套AUV系统，水下航行航向误差运动输出结果图；

图5-3为本明嵌入第二套AUV系统，水下航行纵向速度运动输出结果图。

具体实施方式

下面通过附图和具体实施方式对本发明作更为详细的描述。对于以AUV航向运动模型为被控对象的动态反馈控制方法，首先应根据AUV系统运动特点选择航向运动模型、确定其完全能控性、预设期望极点、得到期望特征方程；然后设置待求控制参数k_rk_ψ并将其代入状态方程中，得到含有状态反馈控制律的特征方程；两特征方程联立，确定AUV系统控制参数。下面以某一AUV系统为被控对象确定控制参数k_rk_ψ：

预设期望极点λ_ψ＝-0.5，λ_r＝-0.3，通过本发明提供的技术方案(1)～(5)确定含有参数a和b的控制参数k_rk_ψ为将系统对应的水动力参数以及实时纵向速度代入参数a和b，从而确定控制参数k_rk_ψ完成对航向运动控制律δ_r的构建。

通过理论分析获取控制参数k_rk_ψ后，即可根据本发明所提及的技术方案来设计控制方法，确定控制参数，具体操作步骤如下：

(a)判断系统能控性，系统完全能控；

(b)预设期望极点λ_ψ＝-0.5，λ_r＝-0.3，构建期望特征方程E(λ)＝λ²+0.8λ+0.15；

(c)确定含有待求控制参数的特征方程E(λ)＝λ²-(a+bk_r)λ-bk_ψ；

(d)将含有控制参数的特征方程与期望特征方程进行对比，获得控制参数将模型参数代入参数a和b，k_rk_ψ将变为含有纵向速度的控制参数

(e)将控制律嵌入AUV系统航向运动控制模块中，验证本发明提出的动态状态反馈控制方法。

根据所研究AUV系统航向运动控制特点，将AUV系统航向运动模型分解为二阶运动模型并根据模型特点设置动态状态反馈控制策略，所谓动态是指状态反馈控制律的控制参数可根据纵向速度与AUV系统模型参数的变化而自动调整系统，AUV航向运动控制方框图如附图2。

采用水面航行试验验证本发明所提控制方法的鲁棒性。AUV系统水面航行任务要求为：纵向速度为2节(1.1米/秒)，水面定向240°，250秒后定向248°。附图3为水面航向控制输出结果图，通过分析可知AUV系统航向控制具有转向速度快(调节时间短)约为8/25＝0.32度/秒，航向稳态误差小，对外界波浪力干扰具有较强鲁棒性等控制品质。

AUV系统水下航向运动控制品质验证。AUV系统水下航行任务要求为：纵向速度变化顺序为2.6m/s(5节)、3.5m/s(7节)、2.0m/s(4节)，航向变化顺序为：240°、248°、60°，航向转向幅度设置为小幅变化与大幅变化。附图4为AUV系统水下航向控制输出结果图，附图4表明系统航向控制过程具有转向平稳、无超调、调节速度快，静态误差小等良好控制品质，通过改变纵向速度可以验证系统航向不受纵向速度变化影响。

检验本发明动态反馈控制方法的通用性，将该方法应用于另一套AUV系统中。该AUV系统水下航行任务要求为：纵向速度变化顺序为2.6m/s(5节)、3.5m/s(7节)、2.0m/s(4节)，航向变化顺序为：136°、336°、240°，航向转向幅度设置为小幅变化与大幅变化。附图5为本发明嵌入第二套AUV系统水下航向运动输出结果图，附图5表明系统航向控制过程具有转向平稳、无超调、调节速度快，静态误差小等良好控制品质，航向不受纵向速度变化影响等特征，故该控制方法适用于第二套AUV系统，该控制方法通用性强。

Claims (3)

1.一种基于自主水下机器人航向运动的动态状态反馈控制方法，其特征在于：动态调整状态反馈控制参数，消弱自主水下机器人纵向速度对其航向运动的耦合影响，提高自主水下机器人系统抗干扰能力与自适应于被控对象能力，控制方法通用性强，且只有两控制参数k_r k_ψ，该方法包含以下步骤：

(1)构建自主水下机器人系统航向运动模型，根据自主水下机器人系统航向运动控制特点，构建航向运动状态方程

(2)根据能控性判据知系统完全能控，可实现极点的任意配置，预设期望极点为λ_r、λ_ψ，从而得到加入状态反馈后，系统期望特征方程为E(λ)＝λ²-(λ_r+λ_ψ)λ+λ_rλ_ψ；

(3)设置待求控制参数k_r k_ψ构建状态反馈控制律δ_r(t)＝k_re_r+k_ψe_ψ，将控制律代入条件(1)中航向运动状态方程，得到加入控制律后的特征方程为E(λ)＝λ²-(a+bk_r)λ-bk_ψ；

(4)对比条件(2)的期望特征方程与条件(3)的加入状态反馈控制律的特征方程，可得控制参数k_r k_ψ为

(5)确定状态反馈控制律

ψ——为自主水下机器人航向角，单位度；

r——为航向角速度，单位弧度/秒；

e_ψ——为自主水下机器人航向角误差即实际航向角与期望航向角的差，单位度；

e_r——为自主水下机器人航向角速度误差即实际航向角速度与期望航向角速度的差，单位度；

N_r——系统非线性水动力系数，无单位；

N_δ——系统非线性水动力系数，无单位；

——加速度水动力参数，无单位；

I_zz——转动惯量，无单位；

a——无单位；

b——无单位；

u——为纵向速度，单位米/秒；

λ——为特征方程算子，无单位；

λ_r——为特征方程一期望极点，具有负实部，无单位；

λ_ψ——为特征方程一期望极点，具有负实部，无单位；

k_r——为状态反馈控制律一控制参数，随着纵向速度与模型参数变化，无单位；

k_ψ——为状态反馈控制律一控制参数，随着纵向速度与模型参数变化，无单位；

δ_r——为状态反馈控制律，物理表述为自主水下机器人系统垂直舵输出角度，随着纵向速度与模型参数变化而变化，单位度。

2.根据权利要求1所述的基于自主水下机器人航向运动的动态状态反馈控制方法，其特征在于：所述的两控制参数k_r k_ψ实现纵向速度动态调整，通过以下方法得到：

权利要求1条件(2)的期望特征方程与权利要求1条件(3)的特征方程联立E(λ)＝λ²-(λ_r+λ_ψ)λ+λ_rλ_ψ＝λ²-(a+bk_r)λ-bk_ψ根据方程两边对应系数相等，推出

3.根据权利要求1所述的基于自主水下机器人航向运动的动态状态反馈控制方法，其特征在于：控制参数所含动态量的约束条件；所述的两系数a，b描述知控制参数k_r k_ψ随着纵向速度变化而变化，其主要表现为控制参数所含两系数与均包含纵向速度；控制参数分母b含有纵向速度，为了避免由于纵向速度过低导致控制参数过大，造成系统控制执行机构垂直舵长时间处于满舵状态，本发明对两控制参数所含纵向速度进行约束，约束条件为适用于动态反馈控制律δ_r(t)。