[发明专利]一种减弱未知干扰与抖振影响的可底栖式AUV自适应轨迹跟踪控制方法

说明书

一种减弱未知干扰与抖振影响的可底栖式AUV自适应轨迹跟踪控制方法，属于控制技术领域。本发明是为了解决目前的控制方法不能对未知干扰下的可底栖式AUV进行很好的轨迹跟踪控制的问题。本发明基于AUV的六自由度动力学方程，使用滑模控制算法，在考虑外界未知干扰条件下设计自适应滑模控制的三维轨迹跟踪控制器，并采用非奇异快速终端滑模控制来提高控制器性能，同时采用自适应控制方法来解决未知时变干扰对控制系统的影响，使可底栖式AUV的轨迹跟踪控制其位置与姿态量η仍然能够跟踪期望值η_d，且η_e在有限时间收敛到零并保持稳定。主要用于可底栖式AUV的轨迹跟踪控制。

技术领域

本发明涉及一种AUV轨迹跟踪控制方法，属于控制技术领域。

背景技术

目前海洋石油资源开发已从水深300m扩展水深3000m的深海区。与之相应的海洋石油勘探也逐渐向深海发展。海底地震勘探技术是目前复杂深海区石油勘探的有效方法之一，而应用到该方法的主要勘探设备为海底节点(Ocean Bottom Node，OBN)地震数据采集技术。而近年来，自主式水下航行器(Autonomous underwater vehicle，AUV)具有重量小、自主性强和运动灵活和控制精度高等优点，同时可继承人工智能、现在技术控制系统、能量存储和传感器等新技术实现智能化发展，是人类在未来进行海洋资源开发、海洋信息检测的重要工具之一。海底飞行节点(Ocean Bottom Flying Node，OBFN)就是将OBN技术和水下自主航行器技术相结合，本质上是一种搭载地震检波装置的可底栖式AUV，该型AUV释放后可自主航行至海底指定位置，长期坐底采集海底地震数据，作业完成后上浮至指定海域，由母船进行统一打捞回收，过程如图1所示。

AUV航行运动的最终目标是该底栖式AUV能坐底到海底预设位置为圆心的一个固定圆内。精准的轨迹跟踪精度和点镇定精度是AUV能够精准到达海底预设区域的重要决定因素。可底栖式AUV在航行和定点悬停中，外界干扰等因素对AUV控制精度和稳定性都有很大的影响。

因此，为保证可底栖式AUV顺利完成既定目标，本发明主要研究考虑外界未知干扰条件下基于滑模控制方法的AUV三维轨迹跟踪控制问题，基于滑模控制理论设计AUV三维轨迹跟踪控制算法，并设计自适应律来解决外界干扰，最后实现了对可底栖式AUV的轨迹跟踪控制。

发明内容

本发明是为了解决目前的控制方法不能对未知干扰下的可底栖式AUV进行很好的轨迹跟踪控制的问题，现提供一种基于滑模控制理论的控制算法。

一种减弱未知干扰与抖振影响的可底栖式AUV自适应轨迹跟踪控制方法，包括以下步骤：

针对AUV，考虑外界未知干扰建立含有外界干扰力的六自由度动力学方程，利用自适应滑模控制的三维轨迹跟踪控制器对AUV进行控制；所述自适应滑模控制的三维轨迹跟踪控制器是基于AUV的六自由度动力学方程采用滑模控制算法设计的，设计过程包括以下步骤：

针对非线性系统

式中，是系统的状态变量；是系统的控制输入；t表示时间；

首先求取切换函数s(x)，s(x)＝0称为控制的切换面；然后求取控制器输入u(x)；

非奇异快速终端滑模控制切换函数：

式中，s为滑模变量，s∈R^n×1；为正常数，[·]由定义1中给出，l,p为正奇数，且满足0＜l/p＜1，α₁、α₂为已知对角阵，e表示误差；

基于含有外界干扰力的AUV六自由度动力学方程，外界干扰力τ_d存在边界，边界条件未知，即

式中，为未知正数；