[发明专利]一种速度信息不完备下的AUV区域跟踪控制方法

说明书

本发明提供一种速度信息不完备下的AUV区域跟踪控制方法，属于水下机器人控制技术领域。该方法首先利用水下机器人的位姿信息以及控制量来构建状态观测器，为了能提高估计精度，引入位姿信息的非线性项以及Nussbaum函数来构造观测器的反馈律；接着，设计一种跟踪误差的非线性转换映射，根据观测器估计的速度信息，结合反演控制思想，推导区域跟踪控制律，以确保跟踪误差能满足事先设定的期望边界，又能降低控制输出的高频抖动现象。本项目在满足任务要求的跟踪精度的前提下，可以实现控制量较为平缓输出，便于延长机器人水下作业时间，特别适合应用于水下管道跟踪这类跟踪精度满足事先设定要求边界即可的水下机器人控制系统设计。

技术领域

本发明涉及一种速度信息不完备下的AUV区域跟踪控制方法，属于水下机器人控制技术领域，是一种适用于水下管道跟踪这类跟踪精度满足事先设定要求边界即可的水下机器人控制方法。

背景技术

由于可以在复杂海洋环境下自由地航行，水下机器人有着较为广泛的应用，例如，水下探测、水下搜索以及自主作业等。可靠地控制系统是保障水下机器人能顺利完成作业任务的重要一环。在现有的控制策略中，学者基于水下机器人某些特殊的应用背景，提出了区域跟踪控制的概念，即：在水下机器人跟踪误差满足事先设定的期望边界要求的前提下，希望控制信号能尽可能平滑。

现有的区域跟踪控制方法，大都只关注了跟踪误差的稳态性能，即：只要稳态跟踪误差在事先设定的边界范围内即可视为已实现了区域跟踪控制。其中两个典型的区域跟踪控制方法是：基于势能函数的区域跟踪控制方法和基于分段且连续Lyapunov函数的区域跟踪控制方法。然而，如果在给定的作业任务中对跟踪误差做出了暂态性能要求，上述两种区域跟踪控制方法并不适用。针对此问题，申请人前期提出了一种具有暂态预设性能的自适应区域跟踪控制方法，该方法利用预设性能控制中的误差转换，再结合分段且连续Lyapunov函数来设计区域跟踪控制律。

从现有区域跟踪控制方法的研究成果来看，大都要求水下机器人的位姿与速度信息均可用。但是，水下机器人所携带的传感器有时并不能提供如此完备的状态信息，在实际应用中，很多水下机器人仅配备了位姿传感器，即：超短基线和电子罗盘。因此，针对此应用情况，研究仅配备了位姿传感器的水下机器人区域跟踪控制方法是很有意义的。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种速度信息不完备下的AUV区域跟踪控制方法。本发明专利能确保无论在暂态还是稳态下的跟踪误差均在事先设定的期望边界范围内，且跟踪误差不收敛于零，有助于获得较为平滑的控制信号，延长水下作业时间。

本发明的目的是这样实现的：区域跟踪控制的出发点在于不追求过高的跟踪精度，只要跟踪误差能满足事先设定的期望边界要求即可。现有的区域跟踪控制方法大都要求水下机器人的位姿信息和速度信息均是可用。但由于价格等实际原因，一部分水下机器人仅配置了位姿传感器：超短基线和电子罗盘。现有这些区域跟踪控制方法不能适用于此类应用情况。因此，本专利涉及的一种速度信息不完备下的水下机器人区域跟踪控制方法，步骤如下：

步骤一：根据水下机器人动力学模型，对状态量进行线性变换，结合位姿信息的非线性项以及Nussbaum函数构造状态观测器；

步骤二：结合步骤一的结果，根据Lyapunov理论以及Barbalat引理验证所设计的观测器所提高的估计误差的一致最终有界特性；

步骤三：根据速度估计结果，对水下机器人位姿误差进行非线性转换映射，根据反演控制设计思路，推导区域跟踪控制律；

步骤四：根据Lyapunov理论以及Barbalat引理验证基于所设计的控制律作用下，水下机器人位姿跟踪误差的一致最终有界特性。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述步骤一具体为：多推进器驱动的水下机器人动力学模型一般可描述为以下二阶方程：