[发明专利]基于有限时间扩张状态观测器的AUV运动控制方法

说明书

本发明公开了一种基于有限时间扩张状态观测器的AUV运动控制方法，考虑AUV的欠驱动特性，引入坐标变换定义AUV的输出向量来解决欠驱动问题，实现欠驱动AUV更实际的三维运动控制。本发明由于设计有限时间扩张状态观测器(简称ESO)来提供AUV存在的动态不确定及扰动不确定构成的总扰动的估计值，不需要精确的AUV运动数学模型及遭受的海流扰动的先验知识，具有强鲁棒性，可使AUV在不同海流扰动下具有良好的控制效果，且可降低保守性。本发明由于所设计的有限时间扩张状态观测器具有良好的扰动估计精度和有限时间收敛特性，提高了欠驱动AUV的运动控制系统的响应速度及控制精度。

技术领域

本发明涉及海洋工程装备领域，特别是一种基于有限时间扩张状态观测器的AUV运动控制方法。

背景技术

近年来，海洋资源的开发和利用不断向深海和远海进军。自主水下机器人(AUV)在海底油气勘探与开采、海底矿产资源开发、海底管道的巡检和海洋环境监测等海洋作业中扮演着重要的角色。AUV系统本身具有强耦合、强非线性、动态不确定等特性，且在航行时会遭受海流的干扰。因此，研究AUV运动的鲁棒控制，对提高AUV在作业时的抗干扰能力尤为重要，能够为AUV进行相关海洋作业的安全可靠提供保障。

中国专利CN103412567A公开了一种基于线性自抗扰技术的水下机器人深度的控制方法，将水下机器人系统运动状态的交叉耦合视为系统内部不确定扰动，并和外部海流干扰一起被视为总扰动，构造扩张状态观测器来估计这个总扰动，并结合PID控制方法设计水下机器人深度自抗扰控制器，实现水下机器人在升沉方向的运动控制。然而，该方法考虑的水下机器人为全驱动的，且所设计的控制方案无法实现水下机器人的三维运动。中国专利CN108196445A公开了一种基于双闭环自抗扰的水下机器人姿态与位置控制方法，设计水下机器人的速度环扩张状态观测器，提供水下机器人未建模动态和外部扰动的估计值，并实时补偿抑制，实现水下机器人三维运动控制。然而，该方法考虑的水下机器人也为全驱动的。另外，上述两个专利设计的扩张状态观测器的扰动估计误差均不具有有限时间收敛特性。

中国专利CN107861382A公开了一种水下机器人运动鲁棒自适应控制方法，应用滑模控制方法设计水下机器人运动控制律，并结合自适应方法对控制增益进行在线调节，实现水下机器人的三维有限时间运动控制。然而，该方法考虑的水下机器人也为全驱动的，且通过自适应估计扰动的上界来补偿水下机器人的不确定外部扰动，保守性高。

中国专利CN108170151A公开了一种水下机器人运动模糊自适应控制方法，应用模糊算法逼近水下机器人的动态不确定，应用自适应技术估计外部扰动的上界，结合逆推方法设计水下机器人运动控制律，实现水下机器人的三维运动控制。然而，该方法考虑的水下机器人也为全驱动的，而且应用基于扰动界估计的扰动补偿方法，保守性高。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要提出一种基于有限时间扩张状态观测器的AUV运动控制方法，实现欠驱动AUV的三维运动控制，提高AUV运动控制系统的响应速度和鲁棒性，且保守性低。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种基于有限时间扩张状态观测器的AUV运动控制方法，所述的AUV为欠驱动AUV，所述的欠驱动AUV的运动学模型和动力学模型分别如式(1)和式(2)所示：