[发明专利]一种无参数欠驱动UUV垂直面路径跟踪滑模控制方法

摘要

本发明提供的是一种无参数欠驱动UUV垂直面路径跟踪滑模控制方法。一、初始化；二、获取UUV的当前状态；三、建立欠驱动UUV水平面误差方程，得到位置偏差x_e,z_e以及航向偏差值θ_e；四、利用滑模控制方法，在参数未知的情况下，分别设计航速滑模自适应控制律，位置滑模控制律以及纵倾角滑模自适应控制律，通过对推力X_prop、期望航速和转矩M_prop的控制，使e_u→0,x_e→0,θ_e→0；五、针对边界层设计模糊控制律；令k＝k+1，跳转回步骤二，进行下一次控制律与自适应律的更新。本发明可实现仅依靠垂直面动力学模型设计使系统镇定的控制器，为带有不确定性的水动力参数设计自适应律，进而使控制系统摆脱对参数的依赖，系统获得鲁棒性，改善不确定性对滑模控制趋近过程的影响。

主权项

1.一种无参数欠驱动UUV垂直面路径跟踪滑模控制方法，其特征是：步骤一、初始化：为UUV的不确定参数的自适应参数赋初值，并为路径跟踪过程确定其理想速度u_d，定义更新次数t＝0，i＝1～8；步骤二、获取UUV的当前状态：通过UUV自身的传感器得到当前时刻状态：u,w分别为纵向和垂向速度，r为纵倾角速度，x,z分别为UUV重心在固定坐标系{I}下的纵向坐标和垂向坐标，θ为纵倾角，确定纵向速度误差eu＝u‑ud；步骤三、基于Serret‑Frenet坐标系，建立欠驱动UUV水平面误差方程，得到UUV重心在坐标{I}下的纵向位置偏差xe、垂向偏差ze以及航向偏差值θe；步骤四、利用滑模控制方法，在参数未知的情况下，分别设计航速滑模自适应控制律、位置滑模控制律以及纵倾角滑模自适应控制律，通过对推力X_prop、期望航速和转矩M_prop的控制，使e_u→0,x_e→0,θ_e→0；步骤五、针对滑模控制器的边界层厚度ki,i＝1～3，分别设计模糊控制律；令k＝k+1，跳转回步骤二，进行下一次控制律与自适应律的更新，实现对UUV垂直面路径跟踪精确控制；步骤三具体包括：对于UUV在垂直面内的运动，仅需建立三自由度模型，UUV垂直面运动学方程为：令UUV的重心在{B}的原点处，重力与浮力相等，UUV结构左右对称，并认为上下近似对称，化简UUV垂直面动力学方程为：上式中，d₁＝‑X_u‑X_u|u||u|,d₂＝‑Z_w‑Z_w|w||w|,d₃＝‑M_q‑M_q|q||q|，表示UUV浮心到重心的距离在UUV垂向的投影，W表示UUV的重力，其中X₍₎,Z₍₎,M₍₎为水动力系数，X_prop＝C_nn|n|为UUV的推进器推力，C_n为通过实验测得的系数，n为推进器转速，N_prop为UUV的转艏力矩；在{I}下的海流流速表示为：VI＝[uI,0,wI]T  (3)在{B}下的海流流速表示为：其中：则带有海流干扰的水平面动力学模型表示为：给定一条在{I}坐标系下的期望路径：式中，μ‑‑‑‑‑期望路径的弧长，xd,zd‑‑‑‑‑‑垂直面期望路径在{I}下的坐标；kv‑‑‑‑‑垂直面期望路径的曲率xe,ze‑‑‑‑‑垂直面内UUV的位置误差垂直面UUV路径跟踪的误差方程为：其中，θe＝θ+α‑θd表示纵倾角误差；步骤四的具体过程包括：滑模趋近率为：其中，s表示滑模面函数，k>0为切换增益，ε＞0为指数趋近项系数，0＜α＜1是设计参数；首先为UUV设计航速跟踪子系统和位置跟踪子系统的滑模控制律，选取航速跟踪的滑模面函数s1ver＝u‑ud，位置跟踪的滑模面函数s2ver＝xe‑0，则：对于艏向角跟踪控制子系统，选取滑模面函数则艏相角跟踪控制规律如下：k1＞0,k2＞0和k3＞0是切换增益，ε1＞0,ε2＞0和ε3＞0是指数趋近项的系数，0＜α1＜1,0＜α2＜1和0＜α3＜1是设计参数；在(14)与(15)式中，有大量的不确定参数，为这些不确定参数设计自适应律，在水动力等参数未知的情况下，实现对期望路径的跟踪；首先，先为纵倾角控制律中的不确定参数设计自适应律，则控制律(15)重写为：其中，设(16)中的不确定参数b₁,b₂,b₃以及b₄的估计值分别为和同时定义和则得：对艏相角滑模面函数求导，有结合(17)式，得：选取Lyapunov函数：得到不确定项的自适应律如下：其中，常数ρ1＞0,ρ2＞0,ρ3＞0,ρ4＞0；同理设计出UUV航速跟踪控制的不确定参数自适应律如下：其中：不确定项的自适应律表示为：由此得，UUV垂直面路径跟踪自适应滑模控制系统表示为：步骤五的具体过程包括：首先，将Sigmoid函数代替设计的自适应滑模控制函数中的符号函数：其中，λ₁表示边界层厚度参数；边界层厚度φ与航速跟踪稳态误差uess的关系可以表示为：φ＝kess|uess|  (24)其中，比例系数kess＞0UUV航速跟踪误差ue会在控制律(22)的作用下很快收敛至uess，因此认为(24)式为：φ≈kess|ue|  (25)模糊规则写为：其中，Δi,i＝1,2,3分别表示模糊集合Z、S、B；比例系数kiess,i＝1,2,3是由UUV实际航速数值来确定的。