[发明专利]一种基于自适应预测的水下机器人三维轨迹跟踪控制方法

权利要求书

1.一种基于自适应预测的水下机器人三维轨迹跟踪控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：根据水下机器人的实际工况，对水下机器人在三维空间内的实际运动模型进行适当简化；

步骤二：根据当前任务的期望轨迹，将期望轨迹的信息传输给AUV，通过AUV自带的相关设备采集到数据后，得到当前位置信息η_d＝[x_d(t) y_d(t) z_d(t)]^T、姿态信息ψ_d(t)、速度信息v_d＝[u_d(t) v_d(t) w_d(t) r_d(t)]^T，进一步给出水下机器人三维轨迹跟踪的控制模型；u(t)为AUV的进退速度，v(t)为AUV的纵荡速度，w(t)代表AUV的浮潜速度，r(t)代表AUV的艏摇速度；

步骤三：利用步骤二中获得的当前位置信息η_d＝[x_d(t) y_d(t) z_d(t)]^T，姿态信息ψ_d(t)和速度信息v_d＝[u_d(t) v_d(t) w_d(t) r_d(t)]^T，通过列写的AUV数学模型和轨迹跟踪参考轨迹之间的位置误差模型，进一步列出状态方程并对其线性化得到线性时不变方程；

步骤四：将步骤三中线性化后的状态方程进行离散化，进一步列写预测控制方程，设计预测控制器；

步骤五：根据设计出的控制器，同时考虑到水下机器人在实际运行过程中受到的速度、旋转角度等约束；给出带有约束的优化目标函数，计算进退速度控制律u_d(t)，纵荡速度控制率v_d(t)，浮潜速度控制率w_d(t)，艏摇速度控制率r_d(t)；

步骤六：针对步骤二中模型线性化时产生的与实际系统控制模型间的误差及解决强非线性工况下控制器鲁棒性变差的问题，进一步采用卡尔曼滤波算法修正控制时域内用于预测控制的模型参数，补偿其非线性时变特性量，实现自适应预测控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于自适应预测的水下机器人三维轨迹跟踪控制方法，其特征在于：所述步骤一中，基于水下机器人的实际工况对水下机器人运动模型进行了相关简化，步骤一中，简化后的水下机器人三维轨迹跟踪的运动学模型为：

3.根据权利要求1所述的一种基于自适应预测的水下机器人三维轨迹跟踪控制方法，其特征在于：所述步骤二中，基于水下机器人在三维空间中运动的物理模型，由水下机器人位置信息、姿态信息、速度信息得到水下机器人的控制模型。

4.根据权利要求1所述的一种基于自适应预测的水下机器人三维轨迹跟踪控制方法，其特征在于：所述步骤三中，基于水下机器人的实际位置和轨迹跟踪需要跟随参考轨迹得到误差模型。

5.根据权利要求1所述的一种基于自适应预测的水下机器人三维轨迹跟踪控制方法，其特征在于：所述步骤三中，基于水下机器人位置误差模型进一步建立状态方程线性化后得到线性时不变方程；步骤三中，线性时不变方程为：

6.根据权利要求1所述的一种基于自适应预测的水下机器人三维轨迹跟踪控制方法，其特征在于：所述步骤四中，基于水下机器人轨迹跟踪控制系统，采用前项欧拉法，将线性时不变方程离散化，而后根据预测控制方法设计预测控制器。

7.根据权利要求1所述的一种基于自适应预测的水下机器人三维轨迹跟踪控制方法，其特征在于：所述步骤五中，基于水下机器人轨迹跟踪控制系统，给出预测控制器的优化目标函数：再对状态变量和输入变量的幅值进行约束，进一步给出带有约束的优化目标函数：