欠驱动自主水下航行器的对三维路径进行理解及跟踪控制方法技术

本发明专利技术提供的是一种欠驱动自主水下航行器的对三维路径进行理解及跟踪控制方法。一：将全局路径规划所得的三维路径理解为空间直线段序列；二：将空间直线段描述为自主水下航行器的目标直线段，进行惯性坐标系下的投影，在水平面形成二维直线，在垂直方向形成深度和高度坐标序列；三：对单个的水平面目标直线段进行跟踪控制，控制器采用分层的结构，位于上层的制导控制器将位置偏差转化为参考艏向角，位于下层的状态控制器将艏向角偏差转化为操纵面的转动执行角度；四：进行目标直线段的更替，完成每个目标直线段的跟踪，最终实现三维路径跟踪。本发明专利技术适用于欠驱动自主水下航行器进行远程航行及调查作业，具有一定的抗海流干扰能力。

【技术实现步骤摘要】
欠驱动自主水下航行器的对三维路径进行理解及跟踪控制方法
本专利技术涉及的是一种自主水下航行器的控制方法，具体地说是一种欠驱动自主水下航行器的对三维路径理解和跟踪控制方法。
技术介绍
AUV所执行的任务多为调查性质。实际上，自主水下航行器对空间目标的跟踪控制形式是离散的、不连续的。即使面对解析形式的复杂曲线，对于控制系统而言也是将其以离散点的形式表示。在《一种基于电子海图的欠驱动AUV区域搜索方法》(机器人，2014，第36卷第5期)、《Dockingcontrolsystemfora54-cm-diameter(21-in)AUV》(IEEEJournalofOceanicEngineering,2008,第33卷第4期)等所述的一些应用中要求水下航行器具有很好的平面直线航线跟踪能力，如覆盖式水下目标搜索、海底地形地貌勘测、自主水下对接等。根据潜艇操纵性知识，艇体关于xoz平面对称的水下航行器在无操纵力作用下的运动具有直线稳定性，无方向稳定性和航线稳定性。因此需要包含推进器及操纵面等执行机构的控制系统介入，才能保证水下航行器的直线航线跟踪从而进行可靠地水下航行作业。一方面，基于动力学模型的控制器应用困难：反步设计法、局部反馈线性化思想、神经网络控制等尽管在理论上有较大进展，但多处于数值仿真研究的阶段(《基于反步法的欠驱动UUV空间目标跟踪非线性控制方法》，哈尔滨工程大学博士学位论文，2012)，未能有效应用于载体。一方面，已经应用的多为航路点、及虚拟点跟踪的控制方法，不能有效抵抗海流干扰(《海流环境下基于模糊理论的水下机器人区域搜索》，哈尔滨工程大学硕士学位论文，2005)。该专利技术采用的控制方法理论依据充分，简单易形，环境适应能力好：智能PID方法不依赖于数学模型，具有理论成熟、原理简单、适用性好、使用方便等优点，将其作为智能系统理性行为模型的规划层，形成路径跟踪的制导控制器；另一方面，依据《多功能自主式水下机器人运动控制研究》(哈尔滨工程大学博士学位论文，2012)，S面控制方法成功应用于AUV运动控制，实现了干扰下的速度、艏向、纵倾等运动状态的控制，在十余年的海洋探测试验及任务中表现稳定，将其作为智能系统理性行为模型的执行层，形成路径跟踪的状态控制器。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能够使自主水下航行器有效抵抗海流干扰，对三维路径稳定、精确地跟踪的欠驱动自主水下航行器的对三维路径进行理解及跟踪控制方法。本专利技术的目的是这样实现的：步骤一：将全局路径规划所得的三维路径理解为空间直线段序列；步骤二：将空间直线段描述为自主水下航行器的目标直线段，进行惯性坐标系下的投影，在水平面形成二维直线，在垂直方向形成深度和高度坐标序列；步骤三：欠驱动控制形式的自主水下航行器，对单个的水平面目标直线段进行跟踪控制，控制器采用分层的结构，位于上层的制导控制器将位置偏差转化为参考艏向角，位于下层的状态控制器将艏向角偏差转化为操纵面的转动执行角度；步骤四：进行步骤二所述目标直线段的更替，并依次运行步骤三完成每个目标直线段的跟踪，最终完成空间直线段序列的跟踪，实现三维路径跟踪。本专利技术还可以包括如下特点：1、对全局路径的理解方式，具体为：整体上将给定的三维路径转化为空间直线段序列，依据全局路径的表示形式采用不同的理解方法，所述不同的理解方法包括：(1)如果全局路径以离散点序列p＝{p0,p1,p2,…,pM}表示，则依据三次B样条理论进行插值计算，首先求解离散点所定义的样条曲线的解析表达式，依据公式：其次按照一定的精细程度要求，选择变量t的值，给出均匀的点序列p′＝{p′0,p′1,p′2,…,p′Q}，Q＝M·s，s是与t有关的变量表示分辨率，有了均匀的点序列，则直线段序列的表达式为：l＝{l0-1,l1-2,l2-3,…,li-i+1,…,lQ-1-Q},i＝0,1,2,…,Q-1，单个目标直线段的表达式：(2)如果全局路径具有解析表达式，例如：l＝L(t),t∈(a,b)，那么均匀取t的值，得到点序列，后续步骤同(1)。2、对单个的水平面目标直线段进行跟踪控制的跟踪控制器具体为：跟踪控制器具有分层的结构，包含：制导控制器和状态控制器，制导控制器以位置偏差为控制输入，以智能PID算法为控制率，输出参考艏向角；状态控制器以参考艏向角偏差为控制输入，以自适应S面算法为控制率，输出操纵面的转动执行角度。3、制导控制器计算载体与目标直线段的距离，采用智能PID算法为控制率，计算输出参考艏向角。4、制导控制器通过几何计算的方式计算载体与目标直线段之间的横向偏差Pe，以此作为智能PID制导控制器的输入，其中三维空间的直线航线S在水平面E-ξη的投影为ST0-T1|ζ＝0，一维平面上由点T0(ξ0,η0)和T1(ξ1,η1)所确定的方向线段(T0≠T1)，AUV的位置Ps(ξs,ηs)，航向为ψs，包含以下步骤：(1)：计算横向距离，即偏差绝对值，公式为：(2)：计算正负，规定自主水下航行器位于方向线段T0T1的左侧时Pe＞0：sgn(Pe)＝sgn[(ξ1-ξ0)·(η1-ηs)-(η1-η0)·(η1-ηs)]，(3)：计算横向偏差；Pe＝sgn(Pe)·|Pe|。5、制导律采用智能PID算法，PID算法采用差分形式：n为时钟节拍，MI为积分开始的时钟节拍，MD为近几个计算周期偏差平均变化率计算的开始节拍；kp，ki，kd分别为比例积分微分项系数，依据Pe和的变化通过模糊自适应的方式进行调整：6、状态控制器采用自适应参数调整的S面控制方法，表达式如下：e、为控制输入分别表示艏向角偏差和偏差变化率，f为控制输出、物理意义为归一化的转艏力矩，ke、kv为控制参数，依据模糊自适应的方式进行调整7、依据自主水下航行器与目标直线段的相对位置关系进行目标的更替，具体为：计算向量与向量的夹角，如果模超过，则认为应该进行目标的更替。本专利技术提供了一种能够使自主水下航行器有效抵抗海流干扰，对三维路径稳定地、精确地跟踪，进而实现远程航行及调查类任务的三维全局路径离散化理解和分层自适应跟踪控制方法。本专利技术将曲线跟踪离散化为直线段序列的跟踪。这种处理方式简单易行且安全可靠，便于应对水下航行最常见的干扰形式——海流。另外，路径的简化、离散化过程带来的精度损失是可控的。本专利技术具有以下优点及有益效果：1.是一种完整的控制系统解决方案，具有模块化特点。不依赖载体的数学模型及其它结构因素，从对路径的理解，到对路径的跟踪控制，输入的是解析形式或离散点形式表示的全局三维路径，输出的是以角度为度量单位的操纵面转动幅度。方便移植及工程化应用。2.控制系统的鲁棒性好。由于控制算法不依赖水下航行器的动力学模型，且具有自适应调整特性，已集成于多个异构水下航行器平台，于水池、湖泊、海上试验等不同环境下进行航行作业试验，均达到了极好的控制效果。3.路径跟踪控制的稳定性好，精度高，抗海流干扰能力强。在所设计的直线段跟踪控制器作用下，水下航行器能够感受到海流给横向偏差带来的影响，在制导控制算法的作用下能够调整参考艏向角输出，经状态控制器调整操纵面角度实现AUV转艏，从而消除横向偏差。以某80kg级水下航行器为例，在远程航行试验中，无论是静水(湖泊)还是存在非定常海流干扰的海洋，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种欠驱动自主水下航行器的对三维路径进行理解及跟踪控制方法，其特征是：步骤一：将全局路径规划所得的三维路径理解为空间直线段序列；步骤二：将空间直线段描述为自主水下航行器的目标直线段，进行惯性坐标系下的投影，在水平面形成二维直线，在垂直方向形成深度和高度坐标序列；步骤三：欠驱动控制形式的自主水下航行器，对单个的水平面目标直线段进行跟踪控制，控制器采用分层的结构，位于上层的制导控制器将位置偏差转化为参考艏向角，位于下层的状态控制器将艏向角偏差转化为操纵面的转动执行角度；步骤四：进行步骤二所述目标直线段的更替，并依次运行步骤三完成每个目标直线段的跟踪，最终完成空间直线段序列的跟踪，实现三维路径跟踪。

【技术特征摘要】
1.一种欠驱动自主水下航行器的对三维路径进行理解及跟踪控制方法，其特征是：步骤一：将全局路径规划所得的三维路径理解为空间直线段序列；步骤二：将空间直线段描述为自主水下航行器的目标直线段，进行惯性坐标系下的投影，在水平面形成二维直线，在垂直方向形成深度和高度坐标序列；步骤三：欠驱动控制形式的自主水下航行器，对单个的水平面目标直线段进行跟踪控制，控制器采用分层的结构，位于上层的制导控制器将位置偏差转化为参考艏向角，位于下层的状态控制器将艏向角偏差转化为操纵面的转动执行角度；步骤四：进行步骤二所述目标直线段的更替，并依次运行步骤三完成每个目标直线段的跟踪，最终完成空间直线段序列的跟踪，实现三维路径跟踪。2.根据权利要求1所述的欠驱动自主水下航行器的对三维路径进行理解及跟踪控制方法，其特征是对全局路径的理解方式具体为：整体上将给定的三维路径转化为空间直线段序列，依据全局路径的表示形式采用不同的理解方法，所述不同的理解方法包括：(1)如果全局路径以离散点序列p＝{p0,p1,p2,…,pM}表示，则依据三次B样条理论进行插值计算，首先求解离散点所定义的样条曲线的解析表达式，依据公式：其次按照一定的精细程度要求，选择变量t的值，给出均匀的点序列p′＝{p′0,p′1,p′2,…,p′Q}，Q＝M·s，s是与t有关的变量表示分辨率，有了均匀的点序列，则直线段序列的表达式为：l＝{l0-1,l1-2,l2-3,…,li-i+1,…,lQ-1-Q},i＝0,1,2,…,Q-1，单个目标直线段的表达式：(2)如果全局路径具有解析表达式，例如：l＝L(t),t∈(a,b)，那么均匀取t的值，得到点序列，后续步骤同(1)。3.根据权利要求1所述的欠驱动自主水下航行器的对三维路径进行理解及跟踪控制方法，其特征是对单个的水平面目标直线段进行跟踪控制的跟踪控制器具体为：制导控制器以位置偏差为控制输入，以智能PID算法为控制率，输出参考艏向角；状态控制器以参考艏向角偏差为控制输入，以自适应S面算法为控制率，输出操纵面的转动执行角度。4.根据权利要求3所述的欠驱动自主水下航行器的对三维路径进行理解及跟踪控制方法，其特征是：制导控制器通过几何计算的方式计算载体与目标直线段之间的横向偏差Pe，以此作为智能PID制导控制器的输入，其中三维空间的直线航线S在水平面E-ξη的投影为一维平面上由点T0(ξ0,η0)和T1(ξ1,η1)所确定的方向线段，T0≠T1，自...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜言清，安力，李晔，马腾，何佳雨，张蔚欣，王磊峰，姜权权，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23