[发明专利]一种欠驱动无人水下航行器轨迹生成与控制方法

权利要求书

1.一种欠驱动无人水下航行器轨迹生成与控制方法，其特征在于，包括：

建立水下航行器的运动学以及动力学模型，并引入单位四元数对姿态进行描述；

在已知三维参考位置信息的条件下，设计轨迹生成器，生成姿态指令信息,方法为:以姿态信息需要作为额外的控制量，生成一个被约束的理想姿态信息以作为动力学模型姿态子系统的参考轨迹；

设计控制器，用于跟踪所述参考位置信息和所述姿态信息；使用控制推力跟踪所述参考位置信息，控制力矩来跟踪所述姿态信息。

2.如权利要求1所述的无人水下航行器轨迹生成与控制方法，其特征在于，所述无人水下航行器模型包括运动学模型、动力学模型，其表达式为：

运动学表达式：

其中，η₁为航行器浮心在惯性坐标系下的位置坐标，定义单位四元数为其中称为单位四元数矢量部分，称为单位四元数标量部分，v₁为航行器浮心在机体坐标系{B}中的线速度大小，v₂为机体坐标系{B}相对于惯性坐标系{E}的角速度大小在机体坐标系{B}中的投影,为从惯性坐标系到本体坐标系的旋转矩阵,I_3×3为三阶的单位对角矩阵，S(×)为3×3斜对称矩阵；

动力学表达式：

其中，M包含附加质量的惯性矩阵，C(v)由科氏力矩阵C_RB(v)与向心力矩阵C_A(v)组成，D(v)为流体水动力阻尼矩阵，G(η)为恢复力与力矩向量,τ为控制输入,为一阶导数。

3.如权利要求2所述的无人水下航行器轨迹生成与控制方法,其特征在于，基于四元数对姿态的描述，航行器动力学方程变换成位置动力学方程和姿态动力学方程，其表达式为：

位置动力学方程：

其中，W为航行器受到的重力，B为航行器所产生的浮力，N代表航行器沿着本体坐标系b₁方向的控制推力,M₁₁是M质量惯性矩阵的一个分量,C₁₂(v₁)是C(v)的一个分量,D₁₁(v₁)是D(v)的一个分量,e₃为惯性坐标系{E}在z方向上的单位向量；

姿态动力学方程：

其中，M₂₂是M质量惯性矩阵的一个分量，C₂₁(v₁)和C₂₂(v₂)是C(v)的两个分量，D₂₂(v₂)是D(v)流体水动力阻尼矩阵的一个分量，为重心相对于浮心在本体坐标系下的位置坐标，Γ＝(Γ₁,Γ₂,Γ₃)^T为控制力矩。

4.如权利要求1所述的无人水下航行器轨迹生成与控制方法，其特征在于，

定义单位四元数为其中称为单位四元数矢量部分，称为单位四元数标量部分,定义为所生成的理想姿态信息。