[发明专利]一种补偿UUV运动学和动力学干扰的空间轨迹跟踪控制方法

说明书

本发明公开了一种补偿UUV运动学和动力学干扰的空间轨迹跟踪控制方法，包括以下几个步骤，步骤一，给定平滑有界的期望轨迹y_d；步骤二，通过UUV搭载的惯性导航仪、深度计、姿态传感器和多普勒采集UUV当前的位姿信息和速度信息；步骤三：选取UUV前端的虚拟控制点的位置；步骤四，建立轨迹跟踪误差，进行滤波处理；步骤五，利用神经网络，得到估计后UUV运动学和动力学干扰项得到能够补偿干扰项自适应控制律u_l；步骤六，得到执行机构控制信号τ_a＝[τ_u,τ_q,τ_r]^T；步骤七，判断UUV前端的虚拟控制点的位置是否到达给定期望轨迹的终点，如果是，则结束运行；否则返回步骤二。本发明能够有效补偿因UUV运行学与动力学干扰，提高控制效果及控制精度。

技术领域

本发明属于无人水下航行器自主控制领域，尤其涉及一种补偿UUV运动学和动力学干扰 的空间轨迹跟踪控制方法。

背景技术

水下无人航行器(Unmanned Underwater Vehicle，UUV)的出现，为进行海洋探索和开发 提供了非常重要的手段，已经成为目前公认的最有效的海洋开发工具。UUV是一种自带能源、 自主导航与控制、能够不受监控的自主的执行众多的海洋使命的水下无人航行器。

欠驱动自主水下航行器的反馈控制在近几年吸引力了大批控制和海洋工程领域人员的关 注。与全驱动UUV运动控制相比，欠驱动UUV控制器设计过程中主要考虑的问题是UUV 独立的执行机构数量少于自由度的个数。这种结构增加了非线性控制器设计的难度。本发明 就是针对欠驱动UUV进行轨迹跟踪控制。

在对UUV进行轨迹跟踪控制过程中，一般我们会先对轨迹进行规划，当UUV沿着期望轨 迹航行时，由于外界及UUV自身条件的影响，使得UUV的实际运动轨迹与期望的运动轨迹存 在着偏差，于是我们需要进行合理的控制，使得UUV能够更好的沿着期望轨迹航行，完成回 收对接。现有技术中曹永辉、石秀华《水下航行器轨迹跟踪控制与仿真》针对UUV的水平面 运动提出了一种基于滑模控制的将横向轨迹误差法和视线法组合的轨迹跟踪控制方法。首先 分别建立横向轨迹误差法的滑模控制器和视线法的滑模控制器，当航向角偏差较大时采用视 线法，当航向偏差小于一个定值时采用横向轨迹误差法。高剑、徐德民、严卫生等人《自主 水下航行器回坞路径规划与跟踪控制》同样针对UUV的水平面运动，提出了一包含位置跟踪 和航向角跟踪的级联系统的轨迹跟踪控制方法。根据反步法设计位置跟踪控制器，并且保证 了轨迹跟踪误差控制全局一致渐近稳定性。但是现有技术中大多是研究UUV的水面轨迹跟踪 控制问题，对于三维空间的轨迹跟踪问题一般也是基于反步法设计，并且数学复杂性高。

发明内容

本发明的目的是提供一种控制精度高的，能够补偿UUV运动学和动力学干扰的空间轨迹 跟踪控制方法。

本发明是通过以下方案实现的：

一种补偿UUV运动学和动力学干扰的空间轨迹跟踪控制方法，包括以下几个步骤，

步骤一：给定平滑有界的期望轨迹y_d；

步骤二：通过UUV搭载的惯性导航仪、深度计、姿态传感器和多普勒计程仪采集UUV当 前时刻的位姿信息和速度信息；

其中，位姿信息η＝[x,y,z,θ,ψ]^T，包括纵向位移x、横向位移y、垂向位移z、纵摇角θ和 艏摇角ψ；速度信息包括直接驱动速度矢量υ＝[u,q,r]^T和间接驱动速度矢量w＝[v,w]^T，包括 纵向速度u、横向速度v、垂向速度w、纵摇角速度q和艏摇角速度r；

步骤三：选取UUV前端的虚拟控制点的位置；

步骤四：建立轨迹跟踪误差e，对轨迹跟踪误差e进行滤波处理，得到滤波后的轨迹跟踪 误差e_f；