一種基于非線性觀測器的自主水下航行器運(yùn)動控制方法
【專利摘要】一種基于非線性觀測器的自主水下航行器運(yùn)動控制方法，涉及自主水下航行器(AUV)運(yùn)動控制技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明是為了增強(qiáng)自主水下航行器對環(huán)境擾動的魯棒性，提供控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)。包括以下步驟：步驟1、建立自主水下航行器的六自由度數(shù)學(xué)模型；步驟2、設(shè)計(jì)跟蹤微分器獲取期望位置信息的跟蹤信息以及微分信息；步驟3、設(shè)計(jì)非線性觀測器利用傳感器測量得到的位置信息觀測出自主水下航行器的速度、干擾狀態(tài)信息；步驟4、設(shè)計(jì)控制器利用跟蹤微分器以及非線性觀測器獲得的信息得到執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需控制量；步驟5、執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用于受控對象自主水下航行器，使自主水下航行器運(yùn)動到設(shè)定的期望位置。本發(fā)明適用于自主水下航行器運(yùn)動控制。
【專利說明】
一種基于非線性觀測器的自主水下航行器運(yùn)動控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及自主水下航行器(AUV)運(yùn)動控制技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 自主水下航行器可以在水下承擔(dān)情報收集、偵察、反潛、水下武器對抗、應(yīng)急救生 與打撈、危險條件下作業(yè)等多種任務(wù)，被廣泛應(yīng)用于軍事、海洋環(huán)境勘測、海底資源開發(fā)等 領(lǐng)域。自主水下航行器在水下自治工作，具有水下活動范圍大、機(jī)動性好、安全、結(jié)構(gòu)簡單等 優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)前世界各國海洋開發(fā)、國防工業(yè)部門、和海洋裝備的最重要研究方向之一。
[0003] 自主水下航行器要實(shí)現(xiàn)在水下自治式工作，其最主要的設(shè)計(jì)部分為控制系統(tǒng)的設(shè) 計(jì)，高性能高精度的運(yùn)動控制是提升自主水下航行器行為能力的重要指標(biāo)之一。隨著對自 主水下航行器控制系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求越來越高，自主水下航行器已經(jīng)從單純的反饋控制 發(fā)展為非線性、魯棒、智能控制等先進(jìn)控制方法的階段。自主水下航行器是一個強(qiáng)耦合、存 在模型參數(shù)攝動、易受外界環(huán)境干擾力影響的強(qiáng)非線性系統(tǒng)，需要采用高效的控制策略方 能滿足其對高精度控制性能指標(biāo)的需求。非線性觀測器是提高耦合、擾動系統(tǒng)魯棒性的有 效手段，已被廣泛應(yīng)用于船舶動力定位系統(tǒng)、磁懸浮列車懸浮系統(tǒng)、機(jī)器人關(guān)節(jié)伺服控制系 統(tǒng)等，以實(shí)現(xiàn)尚速、尚精度的跟蹤控制、定位控制等目標(biāo)。非線性觀測器利用有效的測量狀 態(tài)，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)反饋控制中所需的不可測狀態(tài)的觀測，估計(jì)環(huán)境干擾力并對環(huán)境干擾力進(jìn)行 補(bǔ)償，以提升系統(tǒng)的控制性能。同時，非線性觀測器對由測量元件引入的測量噪聲還具有較 好的濾波效果。
[0004] 因此，設(shè)計(jì)一種基于非線性觀測器的自主水下航行器運(yùn)動控制方法具有重要的作 用價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明是為了增強(qiáng)自主水下航行器對環(huán)境擾動的魯棒性，提供控制系統(tǒng)的動態(tài)性 能指標(biāo)，從而提供一種基于非線性觀測器的自主水下航行器運(yùn)動控制方法。
[0006] -種基于非線性觀測器的自主水下航行器運(yùn)動控制方法，它包括以下步驟：
[0007] 步驟一、建立自主水下航行器的六自由度數(shù)學(xué)模型；
[0008] 自主水下航行器的數(shù)學(xué)模型建立在北東坐標(biāo)系和運(yùn)動坐標(biāo)系下，在北東坐標(biāo)系下 定義其位置矢量，運(yùn)動坐標(biāo)系下定義其廣義速度矢量;建立在兩坐標(biāo)系下的運(yùn)動學(xué)和動力 學(xué)數(shù)學(xué)模型為：
[? = J{Q)V …
[0009] ⑴
[MV = -Cpii(V)V - r. {V)V - 1){V)V - g{?) + b + T
[0010] 其中，n為定義在固定坐標(biāo)系下自主水下航行器的位置矢量矩陣，V為定義在運(yùn)動 坐標(biāo)系下自主水下航行器的廣義速度矢量矩陣，J( ? )為自主水下航行器在北東坐標(biāo)系下 的速度與運(yùn)動坐標(biāo)系下的廣義速度之間的轉(zhuǎn)換矩陣，M為慣性矩陣，Crb(V)為剛體科里奧利 向心力矩陣，Ca(V)為流體產(chǎn)生的科里奧利向心力矩陣，D(V)為阻尼力矩陣，g( Θ )為重力和 浮力產(chǎn)生的阿基米德回復(fù)力和力矩矩陣，b為環(huán)境干擾力矩陣，τ為控制輸入；
[0011] 步驟二、利用跟蹤微分器獲取期望位置信息的跟蹤信息以及微分信息；
[0012] 步驟三、利用非線性Luenberger觀測器利用傳感器測量得到的位置信息觀測出自 主水下航行器的速度和干擾狀態(tài)信息；
[0013] 步驟四、控制器利用跟蹤微分器以及非線性Luenberger觀測器獲得的信息得到執(zhí) 行機(jī)構(gòu)所需控制量；
[0014] 步驟五、執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用于受控對象自主水下航行器，使自主水下航行器運(yùn)動到設(shè) 定的期望位置，完成一次自主水下航行器運(yùn)動控制。
[0015] 步驟二至四為基于非線性Luenberger觀測器的自主水下航行器定深控制步驟，具 體為：
[0016]步驟Α、跟蹤微分器對期望深度指令進(jìn)行微分，得到期望指令的跟蹤信息X和微分 信息V;
[0017] 步驟Β、非線性Luenberger觀測器利用傳感器測量得到的位置信息τι觀測出航行器 在運(yùn)動坐標(biāo)系下的廣義速度V;
[0018] 步驟C、三階非線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器利用非線性Luenberger觀測器觀測到的深度 信息i觀測出航行器的深度21以及定義在北東坐標(biāo)系下的下潛速度4;
[0019] 步驟D、將跟蹤微分器獲得的期望深度跟蹤信息X和微分信息V分別與三階非線性 擴(kuò)張狀態(tài)觀測器觀測到的深度信息21以及定義在北東坐標(biāo)系下的下潛速度4的差值作為 控制器的比例和微分輸入，經(jīng)非線性PD控制率獲得輸出控制信號U0;把非線性Luenberger 觀測器觀測到的下潛速度信息％作為二階非線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的輸入，觀測出航行器在 下潛方向的總擾動；
[0020] 步驟E、將控制信號Uo與總擾動的差值作為最后升降舵的控制輸入u。
[0021 ] 步驟B中所述的非線性Luenberger觀測器為：
[0022]
(2)
[0023] 其中，β為非線性擴(kuò)張觀測器的可調(diào)參數(shù);g(0)為重力加速度分量;片為對η的觀測 值，#為對V的觀測值，^為對環(huán)境干擾b的觀測值4 = /7 -々為位置觀測誤差；
[0024] J)為飽和函數(shù)，其具體形式如下：
[0025]
(3)
[0026I α和δ為飽和函數(shù)的待設(shè)計(jì)參數(shù)。
[0027]步驟C中，三階非線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器為：
[0028]
(4)
[0029] 其中，e為下潛深度觀測誤差；；i為非線性Luenberger觀測器觀測出的下潛位移狀 態(tài)，Z1為對I的觀測值，Z2為對為的觀測值;Z3為對下潛方向所受總和干擾的估計(jì)值;P 1、β2、β3 為非線性擴(kuò)張觀測器的可調(diào)參數(shù)。
[0030] 擊3Hn由一階韭錄樺擴(kuò)張狀態(tài)觀測器為：
[0031]
(5)
[0032] 其中，ev為下潛速度觀測誤差；#為非線性Luenberger觀測器觀測出的下潛速度狀 態(tài)，Zn為對#的觀測值，Z22為對下潛方向總干擾的觀測值;βη、β12為非線性擴(kuò)張觀測器的可 調(diào)參數(shù)。
[0033]步驟四中所述的控制器為非線性ro控制器：
[0034] u〇 = kPfal(ei,ap,5k)+kdfal(e2,ad,5k) (6)
[0035] 其中，ap、ad、5k為飽和函數(shù)的待設(shè)計(jì)參數(shù)，ei = χ-ζι，e2 = v_Z2, kP、kd為控制器的比 例和微分設(shè)計(jì)參數(shù)。
[0036]步驟E中最后升降舵的控制輸入u為：
[0037] u = u〇-Z22/b (7)
[0038] 其中，UQ為縱向速度控制常量;Z22為非線性Luenberger觀測器對自主水下航行器 定深控制方向總擾動的觀測值，b為環(huán)境干擾力矩陣。
[0039] 本發(fā)明通過非線性Luenberger觀測器實(shí)現(xiàn)對自主水下航行器速度、總擾動的準(zhǔn)確 觀測，通過控制率對總擾動的實(shí)時補(bǔ)償，使受控對象成為積分串聯(lián)型系統(tǒng)，不僅提高了控制 系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)，而且增強(qiáng)了系統(tǒng)對環(huán)境擾動、模型參數(shù)攝動的魯棒性。
【附圖說明】
[0040]圖1是基于非線性Luenberger觀測器系統(tǒng)的自主水下航行器垂直面控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 示意圖；
[0041 ]圖2是控制系統(tǒng)的控制流程示意圖；
[0042]圖3是非線性Luenberger觀測器對自主水下航行器下潛位移、縱傾角實(shí)際值與觀 測值曲線仿真示意圖；
[0043]圖4是非線性Luenberger觀測器對自主水下航行器下潛速度、縱傾角速度實(shí)際值 與觀測值曲線仿真示意圖；
[0044]圖5是非線性Luenberger觀測器對兩坐標(biāo)系下自主水下航行器下潛速度觀測值曲 線仿真不意圖；
[0045]圖6是非線性Luenberger觀測器對自主水下航行器垂蕩方向總和干擾觀測值曲線 仿真不意圖；
[0046]圖7是PID和基于非線性Luenberger觀測器的自抗擾控制下自主水下航行器升降 舵舵角曲線仿真示意圖；
[0047]圖8是PID和基于非線性Luenberger觀測器的自抗擾控制下自主水下航行器下潛 位移響應(yīng)曲線仿真不意圖；
[0048]圖9是非線性Luenberger觀測器對含測量噪聲影響的測量值濾波效果曲線仿真示 意圖；
【具體實(shí)施方式】
【具體實(shí)施方式】 [0049] 一、一種基于非線性觀測器的自主水下航行器運(yùn)動控制方法，本發(fā) 明以自主水下航行器定深控制為研究對象，提出了一種基于非線性觀測器的自主水下航行 器運(yùn)動控制方法。該控制系統(tǒng)中非線性Luenberger觀測器不僅可以對系統(tǒng)的全維狀態(tài)進(jìn)行 觀測，而且可以估計(jì)出系統(tǒng)的總和擾動，同時對由測量元件引入的測量噪聲有著較好的濾 波效果。
[0050] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0051 ] (1 )、考慮實(shí)際受控對象的特點(diǎn)，建立自主水下航行器的數(shù)學(xué)模型；
[0052]自主水下航行器是一個空間的六自由度運(yùn)動載體，為方便描述其運(yùn)動，其數(shù)學(xué)模 型通常建立在北東坐標(biāo)系和運(yùn)動坐標(biāo)系下。在北東坐標(biāo)系下定義其位置矢量，運(yùn)動坐標(biāo)系 下定義其廣義速度矢量。建立在兩坐標(biāo)系下的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)數(shù)學(xué)模型為：
[0053]
CO
[0054] 其中，η為定義在固定坐標(biāo)系下自主水下航行器的位置矢量矩陣，V為定義在運(yùn)動 坐標(biāo)系下自主水下航行器的廣義速度矢量矩陣，J( Θ)為自主水下航行器在北東坐標(biāo)系下 的速度與運(yùn)動坐標(biāo)系下的廣義速度之間的轉(zhuǎn)換矩陣，M為慣性矩陣，Crb(V)為剛體科里奧利 向心力矩陣，Ca(V)為流體產(chǎn)生的科里奧利向心力矩陣，D(V)為阻尼力矩陣，g( Θ )為重力和 浮力產(chǎn)生的阿基米德回復(fù)力和力矩矩陣，b為環(huán)境干擾力矩陣，τ為控制輸入。
[0055] (2)、建立基于非線性Luenberger觀測器的自主水下航行器定深控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方 案；
[0056]本發(fā)明中，自主水下航行器的位置矢量由傳感器測量得到?？刂葡到y(tǒng)的基本控制 結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)工作流程圖如圖1和2所示:跟蹤微分器對期望深度指令進(jìn)行微分，得到期 望指令的跟蹤信息X和微分信息V;非線性Luenberger觀測器利用傳感器測量得到的位置信 息η觀測出航行器在運(yùn)動坐標(biāo)系下的廣義速度V;三階非線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器利用非線性 Luenberger觀測器觀測到的深度信息?觀測出航行器的深度Z 1以及定義在北東坐標(biāo)系下的 下潛速度免；將跟蹤微分器獲得的期望深度跟蹤信息X和微分信息V分別與三階非線性擴(kuò)張 狀態(tài)觀測器觀測到的深度信息 21以及定義在北東坐標(biāo)系下的下潛速度免的差值作為控制 器的比例和微分輸入，經(jīng)非線性PD控制率獲得輸出控制信號uo;把非線性Luenberger觀測 器觀測到的下潛速度信息兔作為二階非線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的輸入，觀測出航行器在下潛 方向的總擾動;將控制信號UO與總擾動的差值作為最后升降舵的控制輸入u。
[0057] (3)、非線性Luenberger觀測器的設(shè)計(jì)：
[0058] 設(shè)計(jì)非線性Luenberger觀測器的目的是為了觀測出航行器在北東坐標(biāo)系下的下 潛速度信息以及深度控制方向的總擾動。要想觀測出航行器在深度控制方向的總擾動，首 先要獲得航行器在運(yùn)動坐標(biāo)系下的廣義下潛速度信息。
[0059] a、為獲得航行器在運(yùn)動坐標(biāo)系下的廣義下潛速度信息，對自主水下航行器的運(yùn)動 數(shù)學(xué)模型（1)設(shè)計(jì)如下形式的非線性Luenberger觀測器：
[0060]
(2)
[0061 ] 其中，為對η的觀測值，#為對V的觀測值，I為對環(huán)境干擾b的觀測值，= 77-巧為 位置觀測誤差。>/(象A而為飽和函數(shù)，其具體形式如下：
[0062]
(3)：
[0063] α和δ為飽和函數(shù)的待設(shè)計(jì)參數(shù)。
[0064]非線性Luenberger觀測器(2)利用系統(tǒng)的標(biāo)稱模型信息重構(gòu)了原系統(tǒng)，當(dāng)々趨于零 時，即可實(shí)現(xiàn)對原系統(tǒng)位置、廣義速度以及環(huán)境干擾的觀測。
[0065]附圖3和4給出了非線性Luenberger觀測器對自主水下航行器下潛位移、縱傾角、 下潛速度以及縱傾角速度的實(shí)際值與觀測值曲線，附圖9為含測量噪聲影響的位置測量值 及其經(jīng)非線性Luenberger觀測器濾波后的觀測值曲線?？梢?，非線性Luenberger觀測器不 僅可以較準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)對自主水下航行器位置、廣義速度狀態(tài)的實(shí)時觀測，還具有較好的濾 波效果。
[0066] b、為獲得控制器所需自主水下航行器在北東坐標(biāo)系下的實(shí)際下潛速度，設(shè)計(jì)三階 非線性擴(kuò)張狀杰觀測器：
[0067]
(4)
[0068] 其中，S為非線性Luenberger觀測器觀測出的下潛位移狀態(tài)，Z1為對i:的觀測值，Z2 為對為的觀測值。可見，三階非線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器觀測出的速度狀態(tài)與位置狀態(tài)是定義 在北東坐標(biāo)系下的。
[0069]附圖5給出了三階非線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器和非線性Luenberger觀測器對固定坐標(biāo) 系中下潛速度也和運(yùn)動坐標(biāo)系中下潛速度化的觀測值，可見，兩者是完全不同的，三階非線 性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的觀測值兔可以作為設(shè)計(jì)控制器所需的速度反饋狀態(tài)。
[0070] c、未知擾動是影響被控對象控制系統(tǒng)性能的一個重要因素，如能對系統(tǒng)的擾動進(jìn) 行觀測并進(jìn)行實(shí)時補(bǔ)償，將會大大提高系統(tǒng)的控制性能。非線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器可以將作 用于系統(tǒng)的外界干擾、未建模擾動以及系統(tǒng)的已建模確知部分歸結(jié)為系統(tǒng)的總擾動進(jìn)行觀 測，將觀測到的總擾動進(jìn)行實(shí)時補(bǔ)償，便可以將復(fù)雜被控系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)楹唵蔚姆e分串聯(lián)型系 統(tǒng)。為獲得航行器在定深控制方向的總擾動，設(shè)計(jì)如下形式的二階非線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器：
[0071]
(5)
[0072] 其中，4為非線性Luenberger觀測器觀測出的下潛速度(運(yùn)動坐標(biāo)系）狀態(tài)，Z11為 對眾的觀測值，Z 22為對下潛方向總干擾的觀測值。由二階非線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器(5)可得： 只要觀測誤差ev趨于零，Z 11便趨向于#,Z22趨向于下潛方向的總擾動。
[0073]附圖6為三階非線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器和二階非線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器對自主水下航 行器下潛方向總擾動的觀測曲線，在150-200秒加入幅值為250N的白噪聲信號來模擬外界 環(huán)境干擾對自主水下航行器的影響，可見，兩觀測器對總擾動的觀測值有著很大的差別，二 階非線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器對垂蕩方向總擾動的觀測比較精確。
[0074] (4)控制器的設(shè)計(jì)：
[0075] 設(shè)計(jì)非線性ro控制器：
[0076] u〇 = kPfal(ei,ap,5k)+kdfal(e2,ad,5k) (6)
[0077] 其中，ap、ad、5k為飽和函數(shù)的待設(shè)計(jì)參數(shù)，ei = χ-ζι，e2 = v_Z2, kP、kd為控制器的比 例和微分設(shè)計(jì)參數(shù)。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對非線性Luenberger觀測器觀測總擾動的補(bǔ)償，最終升降 舵所獲得的控制輸入為：
[0078] u = u〇-Z22/b (7)
[0079]其中，Z22為非線性Luenberger觀測器對自主水下航行器定深控制方向總擾動的觀 測值，b為環(huán)境干擾力參數(shù)。
[0080] 附圖7和8分別給出了傳統(tǒng)PID控制和基于非線性Luenberger觀測器的非線性PD控 制下自主水下航行器的升降舵舵角和下潛深度響應(yīng)曲線。
[0081 ]由附圖7可見，基于非線性Luenberger觀測器的控制方法相對于傳統(tǒng)PID控制，自 主水下航行器升降舵舵角的幅度明顯減小，有利于減小執(zhí)行機(jī)構(gòu)的磨損。
[0082]由附圖8可見，對自主水下航行器垂直面的運(yùn)動控制，基于非線性Luenberger觀測 器的控制方法相對于傳統(tǒng)PID控制，系統(tǒng)超調(diào)明顯減小，對外界環(huán)境擾動能夠做出較快的相 應(yīng)。控制系統(tǒng)中通過加入非線性Luenberger觀測器，有利于改善控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)， 增強(qiáng)了系統(tǒng)對外界環(huán)境擾動的魯棒性。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于非線性觀測器的自主水下航行器運(yùn)動控制方法，其特征是：它包括W下步 驟： 步驟一、建立自主水下航行器的六自由度數(shù)學(xué)模型； 自主水下航行器的數(shù)學(xué)模型建立在北東坐標(biāo)系和運(yùn)動坐標(biāo)系下，在北東坐標(biāo)系下定義 其位置矢量，運(yùn)動坐標(biāo)系下定義其廣義速度矢量;建立在兩坐標(biāo)系下的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)數(shù) 學(xué)模型為：(1) 其中，η為定義在固定坐標(biāo)系下自主水下航行器的位置矢量矩陣，V為定義在運(yùn)動坐標(biāo) 系下自主水下航行器的廣義速度矢量矩陣，J( Θ )為自主水下航行器在北東坐標(biāo)系下的速 度與運(yùn)動坐標(biāo)系下的廣義速度之間的轉(zhuǎn)換矩陣，Μ為慣性矩陣，Crb(V)為剛體科里奧利向屯、 力矩陣，Ca(V)為流體產(chǎn)生的科里奧利向屯、力矩陣，D(V)為阻尼力矩陣，g(0)為重力和浮力 產(chǎn)生的阿基米德回復(fù)力和力矩矩陣，b為環(huán)境干擾力矩陣，τ為控制輸入； 步驟二、利用跟蹤微分器獲取期望位置信息的跟蹤信息W及微分信息； 步驟Ξ、利用非線性Luenberger觀測器利用傳感器測量得到的位置信息觀測出自主水 下航行器的速度和干擾狀態(tài)信息； 步驟四、控制器利用跟蹤微分器W及非線性Luenberger觀測器獲得的信息得到執(zhí)行機(jī) 構(gòu)所需控制量； 步驟五、執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用于受控對象自主水下航行器，使自主水下航行器運(yùn)動到設(shè)定的 期望位置，完成一次自主水下航行器運(yùn)動控制。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于非線性觀測器的自主水下航行器運(yùn)動控制方法，其 特征在于步驟二至四為基于非線性觀測器的自主水下航行器定深控制步驟，具體為： 步驟A、跟蹤微分器對期望深度指令進(jìn)行微分，得到期望指令的跟蹤信息X和微分信息 V; 步驟B、非線性Luenberger觀測器利用傳感器測量得到的位置信息η觀測出航行器在運(yùn) 動坐標(biāo)系下的廣義速度V; 步驟C、S階非線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器利用非線性Luenberger觀測器觀測到的深度信息S 觀測出航行器的深度ziW及定義在北東坐標(biāo)系下的下潛速度取; 步驟D、將跟蹤微分器獲得的期望深度跟蹤信息X和微分信息V分別與Ξ階非線性擴(kuò)張 狀態(tài)觀測器觀測到的深度信息ziW及定義在北東坐標(biāo)系下的下潛速度的差值作為控制 器的比例和微分輸入，經(jīng)非線性PD控制率獲得輸出控制信號UQ;把非線性Luenberger觀測 器觀測到的下潛速度信息成作為二階非線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的輸入，觀測出航行器在下潛 方向的總擾動； 步驟E、將控制信號U0與總擾動的差值作為最后升降艙的控制輸入U。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于非線性Luenberger觀測器的自主水下航行器運(yùn)動控 制方法，其特征在于步驟B中所述的非線性Luenberger觀測器為：(2) 其中，β為非線性擴(kuò)張觀測器的可調(diào)參數(shù);g(e)為重力加速度分量;々為對η的觀測值，F(xiàn) 為對V的觀測值，i為對環(huán)境干擾b的觀測值，巧=C 々為位置觀測誤差； .知/化α，巧為飽和函數(shù)，其具體形式如下：(3)： α和δ為飽和函數(shù)的待設(shè)計(jì)參數(shù)。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于非線性觀測器的自主水下航行器運(yùn)動控制方法，其 特征在于步驟C中，Ξ階非線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器為：(斗） 其中，e為下潛深度觀測誤差；S為非線性Luenberger觀測器觀測出的下潛位移狀態(tài)，Ζ1 為對；的觀測值，Z2為對勾的觀測值，Z3為對下潛方向所受總和干擾的估計(jì)值;01、防、03為非 線性擴(kuò)張觀測器的可調(diào)參數(shù)。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于非線性觀測器的自主水下航行器運(yùn)動控制方法，其 特征在于步驟D中，二階非線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器為：") 其中，ev為下潛速度觀測誤差；#為非線性Luenberger觀測器觀測出的下潛速度狀態(tài)， Z1功對#的觀測值，Z22為對下潛方向總干擾的觀測值;βιι、β?2為非線性擴(kuò)張觀測器的可調(diào) 參數(shù)。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于非線性觀測器的自主水下航行器運(yùn)動控制方法，其 特征在于步驟四中所述的控制器為非線性PD控制器： u〇 = kpfal(ei,ap,Sk)+kdfal(e2,ad,Sk) (6) 其中，ap、ad、Sk為飽和函數(shù)的待設(shè)計(jì)參數(shù)，el = χ-Zl，e2 = v-Z2，kp、kd為控制器的比例和 微分設(shè)計(jì)參數(shù)。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于非線性觀測器的自主水下航行器運(yùn)動控制方法，其 特征在于步驟E中最后升降艙的控制輸入U為： U = U〇-Z22/b (7) 其中，U0為縱向速度控制常量;Z22為非線性觀測器對自主水下航行器定深控制方向總 擾動的觀測值，b為環(huán)境干擾力矩陣。
【文檔編號】G05B13/04GK105843233SQ201610221521
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年4月11日
【發(fā)明人】李娟 , 孔明, 陳興華, 徐健, 王宏健, 張偉
【申請人】哈爾濱工程大學(xué)