CN107544258B - 自主型水下航行器自适应反演控制方法 - Google Patents
自主型水下航行器自适应反演控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种自主型水下航行器自适应反演控制方法,用于解决现有自主型水下航行器控制方法控制精度差的技术问题。技术方案是基于AUV的纵倾运动模型,综合应用Lyapunov方法和反演技术设计了非线性自适应跟踪控制器,将得到的压载舱质量作为参考输入,利用反演法设计压载舱质量伺服控制器,设计自适应律对不确定性进行使AUV能够全局渐近跟踪深度参考指令。本发明构造Lypunov函数设计控制器,相比背景技术方法误差最终能收敛到零,所采用自适应反演控制方法响应速度快,稳定和动态跟踪性能良好,提高了控制精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种自主型水下航行器控制方法,特别涉及一种自主型水下航行器自适应反演控制方法。
背景技术
自主水下航行器(AUV)无论在民用还是军事方面都有广泛的应用,如在海洋资源调查、海洋救助与打捞、水下工程施工、海洋石油开采、军事和国防建设等诸多方面,己经产生了巨大的社会效益和经济效益。水下航行器多在未知海洋环境下执行任务,洋流、海浪、水质变化等不确定因素对水下航行器影响较大。研究如何在具有环境不确定因素的情形下进行AUV的运动控制具有重要的工程意义。
文献《自主式水下航行器运动控制***的设计》(马元,中国海洋大学,2014)利用数学运算推导出空间运动方程,提出鱼雷型水下航行器的建模方法,使分布式控制***和PID控制算法相结合,在MATLAB仿真环境下验证了控制算法的有效性以及稳定性。但文献所用的PID控制算法由于其参数固定,而水下环境复杂多变,跟踪性能受到***参数的影响较大,控制精度较差。
发明内容
为了克服现有自主型水下航行器控制方法控制精度差的不足,本发明提供一种自主型水下航行器自适应反演控制方法。该方法基于AUV的纵倾运动模型,综合应用Lyapunov方法和反演技术设计了非线性自适应跟踪控制器,将得到的压载舱质量作为参考输入,利用反演法设计压载舱质量伺服控制器,设计自适应律对不确定性进行使AUV能够全局渐近跟踪深度参考指令。本发明构造Lypunov函数设计控制器,相比背景技术方法误差最终能收敛到零,所采用自适应反演控制方法响应速度快,稳定和动态跟踪性能良好,提高了控制精度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案:一种自主型水下航行器自适应反演控制方法,其特点是包括以下步骤:
步骤一、根据AUV的升沉运动,将纵向运动方程简化如下:
式中,z是浮心在体坐标系下Oz轴上的距离,θ是俯仰角,vx、vz分别为体坐标系下的前向速度和纵向速度,wy为俯仰角速度,mb1、mb2分别为两个压载舱的质量,xb1、xb2分别为两个压载水舱距离浮心的距离,J2为惯性矩阵, Δh1、Δh2为每秒钟水舱中水的高度变化,V1、V2为水舱中水的体积,S为两个水舱的底面积,m0为AUV的净浮力,m1、m3为附加质量,u1、u2为两个压载舱的质量变化量,Fext_3=-(Lcosα+Dsinα)、D=(KD0+KDα2)(vx 2+vz 2)、L=(KL0+KLα)(vx 2+vz 2)、Text_2=(KM0+KMα+Kq2wy)(vx 2+vz 2),L为升力,D为阻力,α为波浪传播方向与地面坐标系x轴正方向的夹角,KD0、KD为阻力相关系数,KL0、KL为升力相关系数,KM0、KM、Kq2为其他系数;
步骤二、对简化后的非线性化运动方程进行自适应反演积分控制器设计
假设θ∈(-π/2,π/2),控制输入矩阵B已知,未知模型参数具有线性化形式:
定义***输出向量y=[z θ]T,常值参考输出向量yd=[zd θd]T,定义输出跟踪误差e1=y-yd,设计Lyapunov函数
对Lyapunov函数求导有:
把广义速度向量[vz wy]T看作虚拟的控制输入,选择期望的镇定函数
对e2求导得到
设计第二个Lyapunov函数
把式(10)代入式(9)有
定义第三个Lyapunov函数
Λ>0为对角正定设计矩阵,对V3求导得到
设计自适应律,消除参数估计误差的影响
代入式(13)得
在选定的控制律式(10)和自适应律式(14)的作用下,深度、俯仰角跟踪参考指令,跟踪误差全局收敛到零。
步骤三、压载舱的质量为m,压载舱在u的作用下全局渐进跟踪期望质量mr,由于压载舱的质量的作用,mr被视为一种静态量,忽略其动态特性,运用反演法进行压载舱伺服控制器设计,定义压载舱质量跟踪误差:
选择Lyapunov函数V4=0.5e3 2 (19)
求导有
本发明的有益效果是:该方法基于AUV的纵倾运动模型,综合应用Lyapunov方法和反演技术设计了非线性自适应跟踪控制器,将得到的压载舱质量作为参考输入,利用反演法设计压载舱质量伺服控制器,设计自适应律对不确定性进行使AUV能够全局渐近跟踪深度参考指令。本发明构造Lypunov函数设计控制器,相比背景技术方法误差最终能收敛到零,所采用自适应反演控制方法响应速度快,稳定和动态跟踪性能良好,提高了控制精度。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
附图说明
图1是本发明自主型水下航行器自适应反演控制方法的流程图。
具体实施方式
参照图1。本发明自主型水下航行器自适应反演控制方法具体步骤如下:
步骤一、根据AUV的升沉运动,把纵向运动方程简化如下:
式中,z是浮心在体坐标系下Oz轴上的距离,θ是俯仰角,vx、vz分别为体坐标系下的前向速度和纵向速度,wy为俯仰角速度,mb1、mb2分别为两个压载舱的质量,xb1、xb2分别为两个压载水舱距离浮心的距离,J2为惯性矩阵, Δh1、Δh2为每秒钟水舱中水的高度变化,V1、V2为水舱中水的体积,S为两个水舱的底面积,m0为AUV的净浮力,m1、m3为附加质量,u1、u2为两个压载舱的质量变化量,Fext_3=-(Lcosα+Dsinα)、D=(KD0+KDα2)(vx 2+vz 2)、L=(KL0+KLα)(vx 2+vz 2)、Text_2=(KM0+KMα+Kq2wy)(vx 2+vz 2),L为升力,D为阻力,α为波浪传播方向与地面坐标系x轴正方向的夹角,KD0、KD为阻力相关系数,KL0、KL为升力相关系数,KM0、KM、Kq2为其他系数;取mb1=10cm,mb2=8cm,xb1=6cm,xb2=5cm,Δh1=2cm,Δh2=3cm,V1=100cm3,V2=50cm3,S=600cm2。
步骤二、对简化后的非线性化运动方程进行自适应反演积分控制器设计。
假设θ∈(-π/2,π/2),控制输入矩阵B已知,未知模型参数具有线性化形式:
为了验证以上控制器的有效性,采用REMUS水下航行器的衡重参数和流体力学参数进行数学仿真研究。由于REMUS水下航行器依靠舵进行控制,没有安装垂向推进器,为仿真研究需要增加参数l1、l2,l1=0.36m,l2=0.4m
定义***输出向量y=[z θ]T,常值参考输出向量yd=[zd θd]T
取位置姿态指令为zd=-5m,θd=10°
自适应反演设计方法:
定义输出跟踪误差e1=y-yd,设计Lyapunov函数
对Lyapunov函数求导有:
把广义速度向量[vz wy]T看作虚拟的控制输入,选择期望的镇定函数
取Γ1=0.5I2×2,对e2求导可得
设计第二个Lyapunov函数
取Γ2=5I2×2,把式(10)代入式(9)有
定义第三个Lyapunov函数
Λ>0为对角正定设计矩阵,取Λ=0.1I18×18
对V3求导得到
设计自适应律,消除参数估计误差的影响
代入式(13)得
在选定的控制律式(10)和自适应律式(14)的作用下,深度、俯仰角能够跟踪参考指令,能够保证跟踪误差全局收敛到零。
步骤三、压载舱的质量为m,压载舱在u的作用下全局渐进跟踪期望质量mr,由压载舱的质量的作用可知,mr应该视为一种静态量,忽略其动态特性,运用反演法进行压载舱伺服控制器设计,定义压载舱质量跟踪误差:
取mr1=5kg,mr2=6kg
选择Lyapunov函数V4=0.5e3 2 (19)
反演控制具有良好的过渡过程品质,最终保证纵向运动跟踪的全局渐近稳定性,在复杂多变的水下环境中,控制性能较经典的PID控制算法要好。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。
Claims (1)
1.一种自主型水下航行器自适应反演控制方法,其特征在于包括以下步骤:
步骤一、根据AUV的升沉运动,将纵向运动方程简化如下
式中,z是浮心在体坐标系下Oz轴上的距离,θ是俯仰角,vx、vz分别为体坐标系下的前向速度和纵向速度,wy为俯仰角速度,mb1、mb2分别为两个压载舱的质量,xb1、xb2分别为两个压载水舱距离浮心的距离,J2为惯性矩阵, Δh1、Δh2为每秒钟水舱中水的高度变化,V1、V2为水舱中水的体积,S为两个水舱的底面积,m0为AUV的净浮力,m1、m3为附加质量,u1、u2为两个压载舱的质量变化量,Fext_3=-(Lcosα+Dsinα)、D=(KD0+KDα2)(vx 2+vz 2)、L=(KL0+KLα)(vx 2+vz 2)、Text_2=(KM0+KMα+Kq2wy)(vx 2+vz 2),L为升力,D为阻力,α为波浪传播方向与地面坐标系x轴正方向的夹角,KD0、KD为阻力相关系数,KL0、KL为升力相关系数,KM0、KM、Kq2为其他系数;
步骤二、对简化后的非线性化运动方程进行自适应反演积分控制器设计
假设θ∈(-π/2,π/2),控制输入矩阵B已知,未知模型参数具有线性化形式:
定义***输出向量y=[z θ]T,常值参考输出向量yd=[zd θd]T,定义输出跟踪误差e1=y-yd,设计Lyapunov函数
对Lyapunov函数求导有:
把广义速度向量[vz wy]T看作虚拟的控制输入,选择期望的镇定函数
对e2求导得到
设计第二个Lyapunov函数
把式(10)代入式(9)有
定义第三个Lyapunov函数
Λ>0为对角正定设计矩阵,对V3求导得到
设计自适应律,消除参数估计误差的影响
代入式(13)得
在选定的控制律式(10)和自适应律式(14)的作用下,深度、俯仰角跟踪参考指令,跟踪误差全局收敛到零;
步骤三、压载舱的质量为m,压载舱在u的作用下全局渐进跟踪期望质量mr,由于压载舱的质量的作用,mr被视为一种静态量,忽略其动态特性,运用反演法进行压载舱伺服控制器设计,定义压载舱质量跟踪误差:
选择Lyapunov函数 V4=0.5e3 2 (19)
求导有
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