[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

说明书

本发明涉及一种欠驱动无人水下航行器轨迹生成与控制方法，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；设计控制器，用于跟踪所述参考位置信息和所述姿态信息。本发明基于单位四元数提出了一种轨迹生成方法，根据已知的位置信息生成了6自由度的参考轨迹，最后设计控制器对所生成的轨迹进行跟踪，并证明闭环系统的稳定性。

技术领域

本发明涉及无人水下航行器领域，涉及一种欠驱动无人水下航行器轨迹生成与控制方法。

背景技术

无人水下航行器已经在海洋救助、资源勘探、水文观测、水下测量、水下管道检修、工程施工等领域得到了大量的应用，而且在军事领域也具有广泛的应用前景。随着应用的领域的增加，许多复杂的任务要求水下航行器具有更好的控制性能，从而可以应对水下复杂的环境，因此水下航行器的控制器设计得到了大量的研究。

大部分文献所提出的无人水下航行器模型多为3自由度的平面模型或者是忽略滚转方向的5自由度模型，而实际的水下航行器是一个3维空间的6自由度模型，在许多情况下无法线性化为更简单的模型来考虑，因此6自由度的水下航行器模型的控制器设计更具有实际工程意义；此外，现有技术使用欧拉角来对姿态进行描述，不仅引入了正弦余弦的非线性运算，而且还会导致姿态奇异现象的发生，使得控制器失效；最后，大部分技术是基于全驱动的水下航行器的模型，而通常在水下环境中，要求水下航行器的结构紧凑，节省能量与成本，此时可以使航行器在某个自由度上没有控制器，形成欠驱动系统；而且，当全驱动航行器在某个自由度上控制器发生故障时就会退化为欠驱动系统，因此研究欠驱动水下航行器的控制系统既可以简化水下航行器的结构设计，又能够为全驱动水下航行器提供一种冗余的控制方法，增强航行器水下行驶的可靠性。

发明内容

针对上述问题，本发明考虑了更复杂的6自由度欠驱动水下航行器的控制模型，更具有实际的意义；引入了单位四元数来对姿态进行描述，可以避免奇异现象同时提高运算效率。此外，由于欠驱动系统内部固有的约束，在已知三维位置参考信息的情况下如何得到姿态指令信息也是一个难点，本发明基于单位四元数提出了一种欠驱动无人水下航行器轨迹生成与控制方法，根据已知的位置信息生成了6自由度的参考轨迹，最后设计控制器对所生成的轨迹进行跟踪，并证明闭环系统的稳定性。

为实现上述目的，本发明一方面提供了一种欠驱动无人水下航行器轨迹生成与控制方法，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；设计控制器，用于跟踪所述参考位置信息和所述姿态信息。

优选地，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，单位四元数Q为机体坐标系{B}相对于惯性坐标系{E}的姿态,

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。

优选地，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；

姿态动力学方程：