CN109946976B - 一种宽航速auv运动控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种宽航速AUV运动控制方法，包括：该方法首先建立了宽航速AUV的动力学模型方程；对宽航速AUV的时变动力学模型进行化简，建立垂直面运动简化的时变动力学模型；采用改进的滑模变结构控制方法，多普勒测速仪测得宽航速AUV的u0，惯导测速仪宽航速AUV的纵倾角速度和垂向速度，并将测得的结果传递给改进的滑模变结构控制器，通过深度计测得航速AUV的实际深度，目标深度与实际深度之差传递给改进的滑模变结构控制器，达到闭环控制的目的；该方法可用于控制宽航速AUV在海洋环境中更好地执行任务。本发明能够保证宽航速AUV在控制精度提高的情况下，有效减弱滑模控制系统的抖振。
Description
技术领域
本发明属于自主水下机器人控制领域领域，具体涉及一种宽航速AUV运动控制方法。
背景技术
随着人类对海洋开发需求的日益增加，AUV作为一种可以完成多种复杂任务的海洋探索工具，无论在军用领域还是在民用领域，它都具有非常广阔的应用前景。然而，传统的水下机器人普遍具有航速较低、环境适应能力不强等方面的问题，围绕海洋快速应急搜探、水下环境快速评估等迫切需求，为了更好适应从低速到高速的各种航速要求，探索航速适应能力较强的宽航速AUV的实现原理与技术是研究的重要方向。控制技术作为宽航速AUV的关键技术，尤其是实施高精度的深度控制是宽航速AUV有效作业的关键。但由于海洋环境中存在各种未知的干扰以及此类型宽航速AUV的自身复杂特性，导致建立精确的宽航速AUV运动控制模型具有较大难度。从而，高精度控制的实现往往会导致控制器的高频振动。因此，通过某种手段在保证宽航速AUV的控制精度满足要求的情况下有效削弱控制器的抖振是宽航速AUV面临的一大挑战。
PID控制(Proportion Integration Differentiation Control)、反步法控制(Back Stepping Control)、模糊控制(Fuzzy Control)、滑模控制(Sliding ModeControl)、神经网络控制(Neural Networks Control)等是当今AUV常用的一些控制方法，而近年来，深度学习(Deep Learning)在控制领域的应用也极大地推动了控制技术的发展。PID控制只能适用于一些AUV弱机动下的简单控制，但它对环境参数变化敏感，整定优化比较麻烦；反步法控制依赖于精确的数学模型，但此类新型宽航速AUV的精确模型很难获得；滑模变结构控制虽具有响应速度快的特点，但是其容易引起抖振；模糊控制器依赖于先验知识；神经网络控制虽然具有很强的非线性逼近能力，但是其网络层数以及每层的节点数较难确定；深度学习具有强大的复杂非线性建模能力，但是其训练耗时，模型正确性验证复杂且麻烦。
现今，为了实现对宽航速AUV的深度控制，考虑到滑模变结构控制的实时性和强鲁棒性，对传统滑模变结构控制(SMC,Sliding Mode Control)进行改进以达到削弱抖振的目的，已成为一种新的趋势。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种基于ISMC算法的宽航速AUV深度控制方法。本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：建立宽航速AUV简化的时变动力学模型，并提出一种宽航速AUV深度控制方法。
具体步骤如下：
步骤1：建立宽航速AUV的时变动力学模型；
所述宽航速AUV的时变动力学模型包括：动力学方程和运动学方程：
其中，υ＝[u,v,w,p,q,r]T,η＝[ξ,η,ζ,φ,θ,ψ]T；J(η)＝diag{J1(η),J2(η)}，其中，
其中，u、v、w、p、q、r分别表示宽航速AUV的纵向、横向、垂向速度以及横倾、纵倾、艏向角速度。C(υ),D(υ)矩阵中的元素并非常数，其每个元素是以纵向速度u为变量的函数，u＝u0/cosθ，u0为多普勒测速仪测得的速度；
为系统惯性矩阵，
为科里奥利向心力矩阵，
为阻尼矩阵，
为重力/浮力和力矩向量，τ'为控制输入向量，ξ,η,ζ为分别表示坐标系E-ξηζ中沿北、东、下指向的位移；φ,θ,ψ为分别表示横倾角、纵倾角和艏向角；υ表示坐标系O-xyz中沿Ox,Oy,Oz轴的移动速度和转动速度；J(η)从载体坐标系到惯性坐标系的坐标转换矩阵。
步骤2：对宽航速AUV的时变动力学模型进行化简，建立垂直面运动简化的时变动力学模型；
宽航速AUV按照深度进行机动时，忽略横摇的影响，则有
假设宽航速AUV采用平行下潜方式进行深度机动，则其纵倾角很小，忽略纵倾角对深度的影响，此时宽航速AUV的深度变化率进一步简化为
则有
所述垂直面运动简化的时变动力学模型如下：
将(3)式改为：
其中，
A＝mwq+Z0+Zwuw+Zquq+Zw|w|w|w|+Zwww2，当u≤λ时，U(u)＝λ，当u>λ时，U(u)＝u，u换为U(u)目的是为了避免(2)式分母为0的情况出现，λ为正常数。
Z(·)为宽航速AUV的水动力系数，m为宽航速AUV的质量，w为垂向速度，q为纵倾角速度，Z为深度值，δb为艏舵舵角。
其中，宽航速AUV的水动力参数通过多项式拟合获得：
Zw＝0.5ρL2(a0+a1u+a2u2) (5)
式中，u为宽航速AUV的纵向速度，ρ为海水密度，L为宽航速AUV的长度，a0、a1、a3均为多项式系数；
步骤3：采用改进的滑模变结构控制方法(ISMC)，多普勒测速仪测得宽航速AUV的u0，惯导测速仪宽航速AUV的纵倾角速度q和垂向速度w，并将测得的结果传递给改进的滑模变结构控制器，通过深度计测得航速AUV的实际深度z，目标深度zd与实际深度z之差传递给改进的滑模变结构控制器，达到闭环控制的目的。
所述ISMC方法，具体过程如下：
选取深度控制误差为：
其中，zd为目标深度，z为深度计测得的实际深度，e为深度偏差。
选择切换面：
选取趋近律：
其中，c、ε、k为大于零的常数，s为切换面；
对式(7)求导得
由(4)式和(9)式得
由(8)式和(10)式得
其中，f(s)为连续函数：
其中，arctan(σs)为反正切函数，σ为正常数。
有益技术效果：
(1)本发明通过对滑模结构控制(SMC)进行改进，在保证系统的强鲁棒性的情况下，有效削弱SMC控制器的抖振。
(2)本发明的方法中，系统模型以及控制器中的水动力系数并非固定常数，而是随宽航速AUV纵向速度变化的函数，更接近宽航速AUV本体的特性，能够保证宽航速AUV的控制精度满足要求。
(3)本发明实现方便，只需将SMC的sgn(s)用连续函数f(s)取代即可，不需要对宽航速AUV的控制系统进行过多的改动。
附图说明
图1为本发明实施例的宽航速AUV定深控制的工作原理图；
图2为本发明实施例的一种宽航速AUV深度控制方法流程图；
图3为本发明实施例的惯性坐标系和载体坐标系转换图；
图4为本发明实施例的ISMC和SMC的宽航速AUV进行变速下潜的深度对比图；
图5为本发明实施例的ISMC和SMC的宽航速AUV进行变速下潜的舵角对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施实例对发明做进一步说明：宽航速AUV空间运动坐标系通常采用两种坐标系，即惯性坐标系和载体坐标系。惯性坐标系固定于地球，用于描述宽航速AUV的运动轨迹和姿态；载体坐标系固定于宽航速AUV上，与载体一起运动，用于描述宽航速AUV运动的水动力特性。如图3所示。
惯性坐标系E-ξηζ：又称固定坐标系或地面坐标系，可选海平面上或海中任意一点为原点E，Eξ轴指向地理北，按右手法则将Eξ轴沿顺时针方向旋转90度得到Eη轴，Eη轴指向地理东，Eζ轴垂直于Eξ轴和Eη轴所在的水平面，并指向地心。
载体坐标系O-xyz：又称运动坐标系或非惯性坐标系，原点O与宽航速AUV的重心重合，Ox轴与宽航速AUV的主对称轴平行，并指向宽航速AUV的艏部，Oy轴平行于基面指向宽航速AUV的右舷，Oz轴垂直于Oxy平面指向宽航速AUV底部。
对宽航速AUV进行运动分析时，首先在惯性坐标系下建立运动方程，再将惯性坐标系下的各参数转换为用载体坐标系的分量来表示，从而得到载体坐标系下的运动方程。
参照附图1为本发明方案中宽航速AUV定深控制的工作原理图。对宽航速AUV的动力学模型进行适当简化，在水动力参数随航速变化的情况下，利用基于ISMC的控制方法，对宽航速AUV在不同航速情况下进行深度控制，实现在不同航速情况下的定深控制。
在不同航速下对宽航速AUV进行深度控制的实现过程：
提供一种基于ISMC算法的宽航速AUV深度控制方法，如图2所示，具体步骤如下：
步骤1：建立宽航速AUV的时变动力学模型；
所述宽航速AUV的时变动力学模型包括：动力学方程和运动学方程：
其中，υ＝[u,v,w,p,q,r]T,η＝[ξ,η,ζ,φ,θ,ψ]T；J(η)＝diag{J1(η),J2(η)}，其中，
其中，u、v、w、p、q、r分别表示宽航速AUV的纵向、横向、垂向速度以及横倾、纵倾、艏向角速度。C(υ),D(υ)矩阵中的元素并非常数，其每个元素是以纵向速度u为变量的函数，u＝u0/cosθ，u0为多普勒测速仪测得的速度；
为系统惯性矩阵
为科里奥利向心力矩阵，
为阻尼矩阵，
为重力/浮力和力矩向量，τ'为控制输入向量，ξ,η,ζ为分别表示坐标系E-ξηζ中沿北、东、下指向的位移；φ,θ,ψ为分别表示横倾角、纵倾角和艏向角；υ表示坐标系O-xyz中沿Ox,Oy,Oz轴的移动速度和转动速度；J(η)从载体坐标系到惯性坐标系的坐标转换矩阵。
步骤2：对宽航速AUV的时变动力学模型进行化简，建立垂直面运动简化的时变动力学模型；
宽航速AUV按照深度进行机动时，忽略横摇的影响，则有
假设宽航速AUV采用平行下潜方式进行深度机动，则其纵倾角很小，忽略纵倾角对深度的影响，此时宽航速AUV的深度变化率进一步简化为
则有
所述垂直面运动简化的时变动力学模型如下：
将(3)式改为：
其中，
A＝mwq+Z0+Zwuw+Zquq+Zw|w|w|w|+Zwww2，当u≤λ时，U(u)＝λ，当u>λ时，U(u)＝u，u换为U(u)目的是为了避免(2)式分母为0的情况出现，λ为正常数。
Z(·)为宽航速AUV的水动力系数，m为宽航速AUV的质量，w为垂向速度，q为纵倾角速度，Z为深度值，δb为艏舵舵角。
其中，宽航速AUV的水动力参数通过多项式拟合获得：
Zw＝0.5ρL2(a0+a1u+a2u2) (5)
式中，u为宽航速AUV的纵向速度，ρ为海水密度，L为宽航速AUV的长度，a0、a1、a3均为多项式系数；
步骤3：采用改进的滑模变结构控制方法(ISMC)，多普勒测速仪测得宽航速AUV的u0，惯导测速仪宽航速AUV的纵倾角速度q和垂向速度w，并将测得的结果传递给改进的滑模变结构控制器，通过深度计测得航速AUV的实际深度z，目标深度zd与实际深度z之差传递给改进的滑模变结构控制器，达到闭环控制的目的。
所述ISMC方法，具体过程如下：
选取深度控制误差为：
其中，zd为目标深度，z为深度计测得的实际深度，e为深度偏差。
选择切换面：
选取趋近律：
其中，c、ε、k为大于零的常数，s为切换面；
对式(7)求导得
由(4)式和(9)式得
由(8)式和(10)式得
其中，f(s)为连续函数：
其中，arctan(σs)为反正切函数，σ为正常数。
本发明的效果通过以下实验加以验证。
为了验证本发明方法的有效性，假定宽航速AUV以8节航速(4.116米/秒)下潜到30米，再以10节航速(5.145米/秒)下潜到40米，最后以12节航速(6.174米/秒)下潜到50米。图4为ISMC和SMC的宽航速AUV进行变速下潜的深度对比图，表明ISMC相比于SMC具有更高的控制精度。图5为ISMC和SMC的宽航速AUV进行变速下潜的舵角对比图，表明ISMC相比于SMC具有更好的抖振削弱效果。通过以上实验分析得到如下结论：ISMC可以提高宽航速AUV深度控制的控制精度，有效地削弱抖振，提高宽航速AUV深度控制算法的实用性。
Claims (2)
1.一种宽航速AUV运动控制方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1：建立宽航速AUV的时变动力学模型；
所述宽航速AUV的时变动力学模型包括：动力学方程和运动学方程：
其中，υ＝[u,v,w,p,q,r]T,η＝[ξ,η,ζ,φ,θ,ψ]T；J(η)＝diag{J1(η),J2(η)}，其中，
其中，u、v、w、p、q、r分别表示宽航速AUV的纵向、横向、垂向速度以及横倾、纵倾、艏向角速度，C(υ),D(υ)矩阵中的元素并非常数，其每个元素是以纵向速度u为变量的函数，u＝u0/cosθ，u0为多普勒测速仪测得的速度；
为系统惯性矩阵，
为科里奥利向心力矩阵，
为阻尼矩阵，
为重力/浮力和力矩向量，τ'为控制输入向量，ξ,η,ζ为分别表示坐标系E-ξηζ中沿北、东、下指向的位移；φ,θ,ψ为分别表示横倾角、纵倾角和艏向角；υ表示坐标系O-xyz中沿Ox,Oy,Oz轴的移动速度和转动速度；J(η)从载体坐标系到惯性坐标系的坐标转换矩阵；
步骤2：对宽航速AUV的时变动力学模型进行化简，建立垂直面运动简化的时变动力学模型；
宽航速AUV按照深度进行机动时，忽略横摇的影响，则有
假设宽航速AUV采用平行下潜方式进行深度机动，忽略纵倾角对深度的影响，此时宽航速AUV的深度变化率进一步简化为
则有
所述垂直面运动简化的时变动力学模型如下：
将(3)式改为：
其中，
A＝mwq+Z0+Zwuw+Zquq+Zw|w|w|w|+Zwww2，当u≤λ时，U(u)＝λ，当u>λ时，U(u)＝u，u换为U(u)目的是为了避免(2)式分母为0的情况出现，λ为正常数；
Z(·)为宽航速AUV的水动力系数，m为宽航速AUV的质量，w为垂向速度，q为纵倾角速度，Z为深度值，δb为艏舵舵角；
步骤3：采用改进的滑模变结构控制方法，多普勒测速仪测得宽航速AUV的u0，惯导测速仪宽航速AUV的纵倾角速度q和垂向速度w，并将测得的结果传递给改进的滑模变结构控制器，通过深度计测得航速AUV的实际深度z，目标深度zd与该实际深度z之差传递给改进的滑模变结构控制器，达到闭环控制的目的；
所述改进的滑模变结构控制方法，具体过程如下：
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其中，zd为目标深度，z为深度计测得的实际深度，e为深度偏差；
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选取趋近律：
其中，c、ε、k为大于零的常数，s为切换面；
对式(7)求导得
由(4)式和(9)式得
由(8)式和(10)式得
其中，f(s)为连续函数：
其中，arctan(σs)为反正切函数，σ为正常数。
2.根据权利要求1所述一种宽航速AUV运动控制方法，其特征在于，步骤2中所述宽航速AUV的水动力参数通过多项式拟合获得：
Zw＝0.5ρL2(a0+a1u+a2u2) (5)
式中，u为宽航速AUV的纵向速度，ρ为海水密度，L为宽航速AUV的长度，a0、a1、a3均为多项式系数。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20210727 |