[发明专利]一种抗洋流扰动的自主水下机器人动力定位方法和系统

说明书

本发明公开了一种抗洋流扰动的自主水下机器人动力定位方法和系统，该方法包括：步骤1，采集自主水下机器人的测量状态量；步骤2，根据设定的自主水下机器人的期望状态信息和所述测量状态量，构建自主水下机器人运动学状态空间模型和依据饱和性预设的约束，在二次规划求解模型预测控制的优化问题后，再通过动力学模型输出自主水下机器人的期望控制量；步骤3，根据所述测量状态量，获取洋流速度估计值；步骤4，根据所述期望控制量、洋流速度估计值和自主水下机器人的速度，通过积分滑模面，获得用于抵消外部扰动的控制量，并通过饱和函数获得滑模控制量；步骤5，根据所述滑模控制量和期望控制量，获取实际控制量。

技术领域

本发明涉及自主水下机器人控制技术领域，特别是关于一种抗洋流扰动的自主水下机器人动力定位方法和系统。

背景技术

自主水下机器人(autonomous underwater vehicle，AUV)需要在复杂的海洋环境中通过动力定位控制进行定点作业，以完成海洋资源勘测、开发等方面的任务。然而，恶劣海洋环境下动态洋流扰动、强风、海浪等不确定因素作用下自主式水下机器人的受力会发生变化，其动力定位控制系统也面临着控制模型参数摄动问题，对自主式水下机器人定点悬停作业过程中的稳定性造成了较大的影响。

现有的自主水下机器人动力定位控制方法存在明显的不足：1)在控制算法的设计上没有有效考虑执行器的饱和约束，会影响控制算法的控制性能；2)没有有效消除洋流扰动和动力学被控模型不匹配等因素所带来不利影响的方法，动力定位方法的鲁棒性较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抗洋流扰动的自主水下机器人动力定位方法和系统来克服或至少减轻现有技术的上述缺陷中的至少一个。

为实现上述目的，本发明提供一种抗洋流扰动的自主水下机器人动力定位方法，该方法包括：

步骤1，采集自主水下机器人的测量状态量；

步骤2，根据设定的自主水下机器人的期望状态信息和所述测量状态量，构建自主水下机器人运动学状态空间模型和依据饱和性预设的约束，在二次规划求解模型预测控制的优化问题后，再通过动力学模型输出自主水下机器人的期望控制量；

步骤3，根据所述测量状态量，获取洋流速度估计值；

步骤4，根据所述期望控制量、洋流速度估计值和自主水下机器人的速度，通过积分滑模面，获得用于抵消外部扰动的控制量，并通过饱和函数获得滑模控制量；

步骤5，根据所述滑模控制量和期望控制量，获取实际控制量；

步骤6，返回步骤2，直至自主水下机器人的位姿调整至期望位姿。

进一步地，所述步骤1中，当前时刻k的所述测量状态量被描述为X(k)＝[η(k)；V(k-1)]，式中，η(k)表示k时刻的惯性坐标系下的位姿测量值，V(k-1)表示k-1时刻的惯性坐标系下的速度测量值；

所述步骤3获取所述洋流速度估计值的方法具体包括：

通过式(7)描述的洋流观测器，计算所述洋流速度估计值：

式中，V_f(k)表示k时刻的洋流观测器计算得到的载体坐标系下的洋流速度估计值，表示k时刻的洋流观测器计算得到的惯性坐标系下的洋流速度估计值，表示的导数，表示k时刻的洋流观测器计算得到的惯性坐标系下的位姿估计值，表示的导数，K_v和K_η均表示增益矩阵，J表示惯性坐标系到载体坐标系的坐标转换矩阵。

进一步地，所述步骤2中，所述运动学状态空间模型设置为预测时域N_p和控制时域N_c下的式(10)：