一种基于滑模自适应控制的从AUV跟踪主AUV方法技术

本发明专利技术涉及一种基于滑模自适应控制的从AUV跟踪主AUV方法，将AUV的运动解耦为水平面运动与纵平面运动，同时考虑到AUV在运动过程中有不定常干扰与海流的影响，通过滑模自适应控制的方法设计控制律，并在线估计海流速度，以此来将AUV导引到目标AUV尾部进行定距离跟踪。最终，通过对目标AUV分别作直线运动与曲线运动的跟踪仿真，验证了该AUV远距离导引跟踪方法的可行性。通过自适应控制，消除参数误差对系统稳定性的影响，滑模自适应控制法可以对海流速度进行估计，使系统具有一定的抗干扰能力，也表明了系统的鲁棒性。也表明了系统的鲁棒性。也表明了系统的鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于滑模自适应控制的从AUV跟踪主AUV方法


[0001]本专利技术属于自动控制
，涉及一种基于滑模自适应控制的从AUV跟踪主AUV方法，具体涉及一种基于滑模自适应控制(Sliding Mode Adaptive Control,SMAC)的AUV远距离导引跟踪方法的AUV远距离导引跟踪方法,具体为将UUV运动解耦，并分别通过滑模自适应控制的方法设计控制律，以此来将AUV导引到目标AUV尾部进行定距离跟踪。

技术介绍

[0002]如今，随着陆地资源的日益紧张，拥有着地球上最大资源储备量的海洋，越来越受到人们的重视。由于自主水下航行器(AUV，Autonomous Underwater Vehicle)具有体积小、作业灵活等先天的优势，已经成为了人类探索海洋、利用海洋的重要手段。AUV可以在无人干预的条件下运行，自身携带能源，能够由自身完成通信、控制和决策，从而完成指定的任务，在海洋开发、海洋军事等领域的应用越来越广泛化。
[0003]在民用领域，AUV执行的典型任务包括海洋环境监测、海底油气管线检修、矿产资源采样、海洋生物资源探查、海洋搜救和打捞等。在军事领域，AUV执行的典型任务包括海岸线防护、水雷探测和反制、水下目标打击、潜艇的追踪和围捕、水下侦察等。以上AUV的应用中，利用AUVA对水下目标进行跟踪是一个重要的研究方向，AUVA目标跟踪包括静态目标跟踪，例如海底缆线、管道或固定的路径，以及动态目标跟踪，例如潜艇、水面船、水下航行器、海洋生物等。动目标跟踪在军事领域具有更大的应用需求，主要包括目标跟踪监控和动态打击方面，例如，在潜艇战中跟踪或攻击敌方潜艇港口和近海巡逻中，一旦发现敌方目标，对目标进行尾随跟踪并对目标的活动进行应对等。以上问题均涉及AUV的跟踪控制问题，因此本课题具有重要的实际意义。

技术实现思路

[0004]要解决的技术问题
[0005]为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种基于滑模自适应控制的从AUV跟踪主AUV方法，将AUV的运动解耦为水平面运动与纵平面运动，同时考虑到AUV在运动过程中有不定常干扰与海流的影响，通过滑模自适应控制的方法设计控制律，并在线估计海流速度，以此来将AUV导引到目标AUV尾部进行定距离跟踪。最终，通过对目标AUV分别作直线运动与曲线运动的跟踪仿真，验证了该AUV远距离导引跟踪方法的可行性。
[0006]技术方案
[0007]一种基于滑模自适应控制的从AUV跟踪主AUV方法，其特征在于步骤如下：
[0008]步骤1：建立在海流影响下的AUV运动学及动力学模型，将AUV的运动解耦为水平面运动与纵平面运动，得到纵平面与水平面运动方程；
[0009]步骤2：设计基于SMAC的纵平面运动控制器，控制输入T4、T5，使AUV的深度与俯仰角跟踪常值参考信号y
d
＝[y
d
θ
d
]T
，并且保证跟踪误差的全局稳定,定义e
y
为跟踪误差；
[0010]所述控制器为：
[0011]所述系统参数与海流速度的自适应律为：
[0012][0013][0014]其中Γ
y
、F为自适应控制的控制参数，且为常值正定对称矩阵；k、ε为正定对角矩阵；为已知函数矩阵，且包括为AUV在载体坐标系下相对于海流的速度v
r
，θ为俯仰角，α中C为对角正定矩阵，f(u,θ)为仅与载体坐标系下前进速度u与俯仰角θ相关函数；为α的估计值；为海流速度v
f
的估计误差。为未知参数矢量矩阵，为参数的估计结果，为未知参数矢量矩阵的估计误差。
[0015]步骤3：设计基于SMAC的水平面运动控制器，包括偏航角控制与速度控制，偏航角控制的控制目标为使AUV的航向角跟踪上目标的方位角(ψ
→
ψ
d
)，设e
ψ
＝ψ
‑
ψ
d
为航向角误差；速度控制的控制目标为使AUV与目标AUV之间的距离保持为设定值(r
→
r
d
)设e
r
＝r
d
‑
r；
[0016]所述偏航角控制律为：
[0017]所述速度控制律为：
[0018]自适应律
[0019]偏航角控制律中，中参数物理意义与前文相同，为a
ψ
的估计值；其中c
ψ
、ε
ψ
为设定的常数项系数；为滑膜切换函数。
[0020]速度控制律中，a
r
＝[m
‑
X
u m
‑
Z
w
ꢀ‑
mx
G
ꢀ‑
X
u
ꢀ‑
X
u|u|
]T
，为a
r
的估计值；w
r
q q
2 u
r |u
r
|u
r
]，f(v
d
,σ
d
)表示为目标AUV的速度大小在对接AUV瞄准线方向上的投影；为滑模切换函数，c
r
、ε
r
为设定的常数项系数；其余参数物理意义与上文相同。
[0021]自适应律中，Γ
r
为设计的对角正定矩阵，f
r
＞0为设计的海流自适应参数；为a
r
与的估计误差，其余参数物理意义与上文相同。
[0022]上述控制系统：在纵平面运动控制器进行控制下，自适应律中的函数为g＞0，就有即保证系统的全局稳定性；在水平面运动控制器进行控制下，当ε
r
＞0，满足ε
r
＞|Y
r
a
r
‑
n
r
|+η，就有根据李雅普诺夫函数引理，即保证系统在滑模面上全局收敛于平衡点e
r
＝0，保证上述控制系统全局渐进稳定。
[0023]所述在海流影响下的AUV运动学及动力学模型为：
[0024]AUV运动学模型：
[0025]AUV动力学模型：
[0026]其中v
f
为海流速度，假设海流定常、无旋。v
r
为AUV在载体坐标系下相对于海流的速度。η＝[η
1 η2]T
为AUV在地面坐标系下的位置坐标，J(η)为AUV运动学雅可比矩阵。M、C(v
r
)、D(v
r
)分别为惯性矩阵、哥氏力和向心力矩阵、阻尼矩阵，g(η)为恢复力，τ为AUV所受合力。
[0027]所述将AUV的运动解耦为纵平面运动，得到纵平面运动方程为；
[0028][0029]其中，m为AUV的质量，I
xx
为AUV的偏航角转动惯量，为AUV的流体附加质量，Y<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于滑模自适应控制的从AUV跟踪主AUV方法，其特征在于步骤如下：步骤1：建立在海流影响下的AUV运动学及动力学模型，将AUV的运动解耦为水平面运动与纵平面运动，得到纵平面与水平面运动方程；步骤2：设计基于SMAC的纵平面运动控制器，控制输入T4、T5，使AUV的深度与俯仰角跟踪常值参考信号y
d
＝[y
d θ
d
]
T
，并且保证跟踪误差的全局稳定,定义e
y
为跟踪误差；所述控制器为：所述系统参数与海流速度的自适应律为：所述系统参数与海流速度的自适应律为：所述系统参数与海流速度的自适应律为：其中Γ
y
、F为自适应控制的控制参数，且为常值正定对称矩阵；k、ε为正定对角矩阵；为已知函数矩阵，且包括为AUV在载体坐标系下相对于海流的速度v
r
，θ为俯仰角，α中C为对角正定矩阵，f(u,θ)为仅与载体坐标系下前进速度u与俯仰角θ相关函数；为α的估计值；为海流速度v
f
的估计误差。Θ∈R5×1为未知参数矢量矩阵，为参数的估计结果，为未知参数矢量矩阵的估计误差。步骤3：设计基于SMAC的水平面运动控制器，包括偏航角控制与速度控制，偏航角控制的控制目标为使AUV的航向角跟踪上目标的方位角(ψ
→
ψ
d
)，设e
ψ
＝ψ
‑
ψ
d
为航向角误差；速度控制的控制目标为使AUV与目标AUV之间的距离保持为设定值(r
→
r
d
)设e
r
＝r
d
‑
r；所述偏航角控制律为：所述速度控制律为：自适应律偏航角控制律中，中参数物理意义与前文相同，为a
ψ
的估计值；其中c
ψ
、ε
ψ
为设定的常数项系数；为滑膜切换函数。速度控制律中，速度控制律中，为a
r
的估计值；f(v
d
,σ
d
)表示为目标AUV的速度大小在对接AUV瞄准线方向上的投影；为滑模切换函数，c
r
、ε
r
为设定的常数项系数；其余参数物理意义与上文相同。自适应律中，Γ
r
为设计的对角正定矩阵，f
r
＞0为设计的海流自适应参数；为a
r
与的估计误差，其余参数物理意义与上文相同。
上述控制系统：在纵平面运动控制器进行控制下，自适应律中的函数为g＞0，就有即保证系统的全局稳...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈靖夫，张立川，刘禄，潘光，刘亚哲，朱梓霄，
申请(专利权)人：西北工业大学深圳研究院，
类型：发明
国别省市：