本發(fā)明屬于自主水下航行器，尤其涉及一種基于改進自適應滑模的auv運動控制方法。

背景技術：

1、自主水下航行器在海洋探索、海底測繪、資源勘探、海底油氣管線巡檢等領域扮演著重要角色。然而，由于水下環(huán)境復雜多變，存在水流擾動、水壓變化等不確定因素，對auv的精確控制提出了挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的pid控制雖然結(jié)構(gòu)簡單，但在處理非線性、強耦合的auv動力學模型時效果有限，傳統(tǒng)滑?？刂齐m然能夠處理非線性系統(tǒng)，但控制輸出容易發(fā)生抖振現(xiàn)象，不僅損害執(zhí)行機構(gòu)，還可能增加能耗和降低控制精度。因此，開發(fā)一種能夠有效應對環(huán)境擾動、提高控制穩(wěn)定性和魯棒性的新型控制策略顯得尤為重要。

技術實現(xiàn)思路

1、為解決上述技術問題，本發(fā)明提出了一種基于改進自適應滑模的auv運動控制方法，以解決上述現(xiàn)有技術存在的問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于改進自適應滑模的auv運動控制方法，包括：

3、基于auv攜帶的傳感器采集auv水下航向信息，對所述auv水下航向信息進行預處理得到目標觀測信息；

4、對所述目標觀測信息進行運動分析得到auv運動模型；

5、解耦合所述auv運動模型得到航向運動控制模型和深度運動控制模型；

6、基于所述航向運動控制模型和深度運動控制模型設計改進自適應滑?？刂破鲗崿F(xiàn)auv的航向和深度控制。

7、可選地，所述水下航向信息包括但不限于auv位置、姿態(tài)、速度和加速度。

8、可選地，對所述auv水下航向信息進行預處理得到目標觀測信息的過程包括：

9、對所述auv水下航向信息進行低通濾波處理得到低通濾波后的信息；

10、將所述低通濾波后的信息進行數(shù)據(jù)融合得到所述目標觀測信息。

11、可選地，對所述目標觀測信息進行運動分析得到auv運動模型的過程包括：

12、基于所述目標觀測信息采用剛體牛頓-歐拉方程和拉格朗日公式建立6自由度的運動學模型和動力學模型；

13、對所述6自由度的運動學模型和動力學模型進行簡化得到5自由度的運動學模型和動力學模型。

14、可選地，所述5自由度的運動學模型的表達式為：

15、

16、式中，為auv在大地坐標系下的速度，u、v、w、q、r為auv動坐標系下的速度，ψ、θ為auv的航向角和縱傾角；

17、5自由度的動力學模型的表達式為：

18、

19、式中，為auv動坐標系下的加速度，為auv的慣性類水動力系數(shù)，xuu、xwq、xvr、xqq、xrr為auv在x軸方向上的黏性類水動力系數(shù)，yrr、yvv、yuv、yur為auv在y軸方向上的黏性類水動力系數(shù)，zuq、zww、zqq、zuw為auv在z軸方向上的黏性類水動力系數(shù)，nvv、nuv、nur、nrr為auv繞z軸方向上的黏性類水動力系數(shù)，muw、mqq、mww、myuq為auv繞y軸方向上的黏性類水動力系數(shù)，du、dv、dw、dr、dq為海流產(chǎn)生的干擾，m為auv的質(zhì)量，izz、iyy為繞z、y軸的轉(zhuǎn)動慣量，zb為浮心相對重心的距離，b為浮力大小，t為螺旋槳提供的推力，τr、τq為auv舵翼提供的航向控制力和縱傾控制力。

20、可選地，所述航向運動控制模型為：

21、

22、式中，為大地坐標系下的航向角速度，u、r為auv動坐標系下的縱向速度和航向角速度，為auv的慣性類水動力系數(shù)，nur、nrr為auv的黏性類水動力系數(shù)，τr為auv舵翼提供的航向控制力；

23、所述深度控制模型為：

24、

25、式中，為auv在大地坐標系下的垂向速度和縱傾角速度，u、q為auv動坐標系下的縱向速度和縱傾角速度，為auv的慣性類水動力系數(shù)，mqq、muq為auv的黏性類水動力系數(shù)，zb為浮心相對重心的距離，b為浮力大小，τq為auv舵翼提供的縱傾控制力。

26、可選地，基于所述航向運動控制模型，構(gòu)建航向控制器的積分滑模面，所述航向控制器的積分滑模面的計算公式為：

27、

28、式中，sψ為航向角速度誤差的積分滑模面，re為航向角速度誤差，c2為大于零的正常數(shù)。

29、可選地，基于所述深度控制模型，構(gòu)建所述深度控制器的滑模面，所述深度控制器的滑模面的計算公式為：

30、

31、式中，sθ為縱傾角誤差的積分滑模面，θe為縱傾角誤差，c2、c3為大于零的正常數(shù)。

32、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點和技術效果：

33、(1)基于剛體牛頓-歐拉方程和拉格朗日公式對auv進行操縱運動分析和水下受力情況分析，建立auv?6自由度運動模型，根據(jù)auv的結(jié)構(gòu)特性和約束條件，對auv運動模型進行簡化，展開得到auv?5自由度的運動學和動力學模型，該簡化模型減少了計算量，提高了控制效率；(2)分析auv運動模型的耦合關系，解耦合得到航向和深度的運動控制模型，可以減少強耦合對auv水下航向過程造成的干擾；(3)改進自適應滑?？刂扑惴ǎ梢越鉀Q傳統(tǒng)滑?？刂戚敵龆墩駟栴}，引入的積分項更是可以加快誤差收斂和消除外界干擾和水動力參數(shù)不確定性對auv水下航向過程造成的干擾，使控制器獲得了自適應能力，提高auv的舵機的使用壽命和運動控制的穩(wěn)定性、精度。

技術特征：

1.一種基于改進自適應滑模的auv運動控制方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于改進自適應滑模的auv運動控制方法，其特征在于，所述水下航向信息包括但不限于auv位置、姿態(tài)、速度和加速度。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于改進自適應滑模的auv運動控制方法，其特征在于，對所述auv水下航向信息進行預處理得到目標觀測信息的過程包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于改進自適應滑模的auv運動控制方法，其特征在于，對所述目標觀測信息進行運動分析得到auv運動模型的過程包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于改進自適應滑模的auv運動控制方法，其特征在于，

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于改進自適應滑模的auv運動控制方法，其特征在于，

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于改進自適應滑模的auv運動控制方法，其特征在于，基于所述航向運動控制模型，構(gòu)建航向控制器的積分滑模面，所述航向控制器的積分滑模面的計算公式為：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于改進自適應滑模的auv運動控制方法，其特征在于，基于所述深度控制模型，構(gòu)建所述深度控制器的滑模面，所述深度控制器的滑模面的計算公式為：

技術總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于改進自適應滑模的AUV運動控制方法，屬于自主水下航行器領域，該方法包括以下步驟：基于AUV攜帶的傳感器采集AUV水下航向信息，對AUV水下航向信息進行預處理得到目標觀測信息；對目標觀測信息進行運動分析得到AUV運動模型；解耦合AUV運動模型得到航向運動控制模型和深度運動控制模型；基于航向運動控制模型和深度運動控制模型設計改進自適應滑?？刂破鲗崿F(xiàn)AUV的航向和深度控制。

技術研發(fā)人員：陳慶東,袁劍平,柴卓輝,鐘耀鵬,李佳韻,羅智洵
受保護的技術使用者：廣東海洋大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/9/9