[发明专利]基于鲁棒约束模型预测控制的UUV对线控位回收方法

说明书

基于鲁棒约束模型预测控制的UUV对线控位回收方法，涉及一种水下母船背驮式搭载UUV的自主回收方法。为了解决现有水下回收UUV的方法主要是针对静止的回收平台对UUV进行回收的问题以及回收过程中由于超调过大、调节时间过长等不稳定因素会使得UUV与回收平台发生碰撞的问题；本发明首先获得UUV与母船状态信息，构建误差预测模型，并计算局部时刻预测误差动态方程的系统矩阵和局部时刻状态预测误差；在约束条件下进行滚动优化，求解优化问题；然后计算控制量并新预测模型、重复滚动优化过程，直至实现与母船的对线控位过程。本发明适用于水下母船背驮式搭载UUV的自主回收。

技术领域

本发明涉及一种水下母船背驮式搭载UUV的自主回收方法。

背景技术

UUV技术目前已经作为探索海洋空间资源的最重要手段之一，UUV虽然具有隐蔽性、深潜性能、安全性等优点，但是由于UUV受到自身携带的能源限制，使其工作范围和时间受到严格的限制，因此要通过UUV水下回收实现在水下完成能源补给和上传下载数据，这可以大大提高UUV的工作范围和时间。

由于鲁棒约束模型预测控制方法能够有效的处理较复杂的状态约束和控制约束以及对参数不确定性系统有非常好的控制性能，因此本发明采用基于鲁棒约束模型预测控制算法的精确对线控位方法对UUV进行水下回收。

哈尔滨工程大学的张伟等人在《船舶工程》(2013年第05期)上发表了《基于对线控位策略的UUV回收运动控制研究》，该文章对于水下坞舱回收UUV的过程提出了一种基于对线控位策略的回收方法，并设计UUV回收的位置和姿态的灰色预测PID控制器，减小了UUV回收控制中的超调量和调整时间，但是该方法针对的是水下静止平台，而非移动平台，存在一定的局限性。

发明内容

本发明是为了解决现有水下回收UUV的方法主要是针对静止的回收平台对UUV进行回收的问题以及回收过程中由于超调过大、调节时间过长等不稳定因素会使得UUV与回收平台发生碰撞的问题。

基于鲁棒约束模型预测控制的UUV对线控位回收方法，包括以下步骤：

步骤1、通过对线控位方法得到UUV与母船的位置偏差值△x,△y,△z、航向偏差值△ψ和纵倾角偏差值△θ；并将△x,△y,△z，△ψ，△θ作为初始化值；

步骤2、获取当前时刻UUV状态：

通过UUV自身的一系列传感器等得到当前时刻状态：u、v、w分别为纵向、横向和垂向速度(m/s)，p、q、r分别为横摇角、纵摇角、艏摇角速度(rad/s)，ξ、η、ζ分别为UUV相对于固定坐标系的位置(m)，θ、ψ为横摇角、纵摇角、艏摇角(rad)；

步骤3、构建误差预测模型，并计算局部时刻预测误差动态方程的系统矩阵Ω_k和局部时刻状态预测误差

利用UUV六自由度动力学方程和运动学方程构造动态方程：

y(t)＝h(x(t),τ(t))

式中，x(t)是UUV状态向量，y(t)是输出向量，τ(t)是UUV控制输入向量，ω(t)是干扰向量；为x(t)的一阶导数；t表示时间；

x(t)＝[u(t) v(t) w(t) p(t) q(t) r(t)]^T

τ(t)＝[X_prop(t) Y_prop(t) Z_prop(t) K_prop(t) M_prop(t) N_prop(t)]^T