海流干扰下基于滑模自适应控制的AUV近距离对接方法技术

本发明专利技术涉及一种海流干扰下基于滑模自适应控制的AUV近距离对接方法，设计控制器时不再对AUV的运动进行解耦，同时在设计滑模自适应控制器的时候增加了积分环节，采用积分滑模自适应控制(Integral Sliding Mode Adaptive Control，ISMAC)的方法，尽量削弱对接AUV在趋近运动过程中的抖振。最终，在设计控制参数时，在牺牲调节时间的情况下，尽量减小超调量，使对接可以顺利完成。同时，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。鲁棒性。鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】
海流干扰下基于滑模自适应控制的AUV近距离对接方法


[0001]本专利技术属于无人水下航行器
，涉及一种海流干扰下基于滑模自适应控制的AUV近距离对接方法，具体涉及一种海流干扰下全驱动水下航行器对接控制系统及其控制方法。

技术介绍

[0002]无人水下航行器在海洋研究、生态检测、军事侦察等领域有着重要且广泛的应用。航行器跟踪控制是水下航行器完成预设任务的基础，为了满足水下作业工况的需要，往往要求航行器控制系统可以从任意初始状态跟踪上期望的轨迹，且收敛速度具有快速性。
[0003]在较近距离水下航行器跟踪时，声学传感器的精度不足，而视觉传感器在短程探测方面具有明显的优势，识别精度可达到厘米级，而且体积小，便于携带和安装，更适用于近距离的水下跟踪。
[0004]水下航行器近距离跟踪时由于限制条件较多，无法将全驱动航行器运动解耦到水平和垂直面。对于滑模控制而言，在模型不准确与外界干扰的影响下，控制规律在穿过滑模面s＝0时必然是不连续的，这必然导致控制规律中抖振现象的产生。为了削弱抖振现象，第一步是考虑参数不确定性，通过自适应控制在线估计参数值，使参数估计误差收敛到零，依此来削弱参数不确定性对系统的影响；而第二步是想办法将控制输入进行适当的平滑，以此来得到控制带宽与跟踪精度之前的最佳权衡。

技术实现思路

[0005]要解决的技术问题
[0006]为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种海流干扰下基于滑模自适应控制的AUV近距离对接方法。旨在考虑海流干扰下，提供一种全驱动航行器跟踪控制系统及其控制方法。跟随航行器通过视觉传感器获得相对位姿信息，并通过设计滑模控制器实现跟随航行器的路径跟踪。
[0007]技术方案
[0008]一种海流干扰下基于滑模自适应控制的AUV近距离对接方法，其特征在于：用于多水下航行器协同系统中，多水下航行器协同系统至少包括一台母体AUV和一台跟随AUV；母体AUV后端设有对接机构，跟随AUV前端设有单目相机；母体AUV上搭载有光源信标与Aruco Marker码为跟随AUV提供视觉信息的视觉传感器用于感知二者相对位姿；对接步骤如下：
[0009]步骤1：建立AUV在海流干扰下的动力学模型；
[0010][0011]其中，η＝[x y z ψ θ]T
为对接AUV的运动状态，也是运动学方程的系统输出，v
r
＝[u
r v
r w
r q r]T
为运动学方程的控制输入，也是对接AUV相对于水流的速度，v
f
＝[v
fx v
fy v
fz 0 0]T
为地面坐标系下的水流速度，n为AUV在水下受到的外界动态干扰。M为惯性矩阵；C
(v)为哥氏力和向心力矩阵；D(v)为阻尼矩阵；J(ψ,θ)为转换矩阵且包含以下参数θ为俯仰角，ψ为航向角；τ
T
为AUV在运动过程中所产生的控制力矩，g(η)为载体系下的恢复力矩。
[0012]步骤2：设计AUV在海流干扰下的动力学模型的滑模控制器，控制输入为：
[0013][0014]输出为航行器推进器的力；
[0015]其中：L分别为对应推进器到AUV几何中心的直线距离且表示为：
[0016][0017]s为滑模切换函数，e
B
为体坐标系下与目标AUV之间的观测误差，为已知函数矩阵且包含以下参数：α为期望的镇定函数，为镇定函数导数的估计值，θ为俯仰角，ψ为航向角；为系统未知参数的估计值；k与ε为选定的正定对角矩阵；C
i
为控制器内积分项系数，g(e
B
)为分段函数且形如：
[0018][0019]其中的自适应率为：
[0020][0021]其中：为系统未知参数估计误差，Γ、F为常值正定对称矩阵，M为对称正定矩阵，为海流速度估计误差，C
d
为控制器内比例项系数。
[0022]步骤3：在母体AUV与对接跟随AUV之间为10～6米时，为近距离对接；对接跟随AUV前端的单目相机获取母体AUV后端四光源信标的视觉图像，解析四光源信标的视觉图像得到母体AUV与对接跟随AUV之间的相对位姿信息；将相对位姿信息输入滑模控制器，对接跟随AUV动力系统在滑模控制器控制下调整位姿向母体AUV推进；
[0023]步骤4：当母体AUV与对接跟随AUV之间小于2米时，对接跟随AUV前端的单目相机获取母体AUV后端的Aruco Marker码，解析Aruco Marker码得到母体AUV与对接跟随AUV之间的相对位姿信息；以该相对位姿信息输入滑模控制器，对接跟随AUV动力系统在滑模控制器控制下精确调整位姿向母体AUV推进并完成对接。
[0024]所述跟随AUV上安装方位姿态测量系统和多普勒测速仪，能够得到AUV实时的角速度和角度信息以及速度信息。
[0025]所述对接机构包括沿母体AUV轴向依次布置的若干对接环以及内侧限位板。
[0026]有益效果
[0027]本专利技术提出的一种海流干扰下基于滑模自适应控制的AUV近距离对接方法，设计
控制器时不再对AUV的运动进行解耦，同时在设计滑模自适应控制器的时候增加了积分环节，采用积分滑模自适应控制(Integral Sliding Mode Adaptive Control，ISMAC)的方法，尽量削弱对接AUV在趋近运动过程中的抖振。最终，在设计控制参数时，在牺牲调节时间的情况下，尽量减小超调量，使对接可以顺利完成。同时，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。
附图说明
[0028]图1本专利技术对接机构示意图
[0029]图2近距离对接过程
[0030]图3对接AUV目标状态跟踪控制框架图图4目标AUV与对接AUV运行轨迹图5对接误差曲线
[0031]图6推进器推力变化图2近距离对接过程
[0032]图7水流速度估计曲线
具体实施方式
[0033]现结合实施例、附图对本专利技术作进一步描述：
[0034]本专利技术的技术方案是：一种基于滑模自适应控制的AUV近距离对接方法，具体包括以下步骤：
[0035]S1：建立AUV在海流干扰下的动力学模型；
[0036][0037]其中，η＝[x y z ψ θ]T
为对接AUV的运动状态，也是运动学方程的系统输出，v
r
＝[u
r v
r w
r q r]T
为运动学方程的控制输入，也是对接AUV相对于水流的速度，v
f
＝[v
fx v
fy v
fz 0 0]T
为地面坐标系下的水流速度，n为AUV在水下受到的外界动态干扰。M为惯性矩阵，C(v)为哥氏力和向心力矩阵，D(v)为阻尼矩阵，J(ψ,θ)为转换矩阵。
[0038]S2:根据建立的航行器模本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种海流干扰下基于滑模自适应控制的AUV近距离对接方法，其特征在于：用于多水下航行器协同系统中，多水下航行器协同系统至少包括一台母体AUV和一台跟随AUV；母体AUV后端设有对接机构，跟随AUV前端设有单目相机；母体AUV上搭载有光源信标与Aruco Marker码为跟随AUV提供视觉信息的视觉传感器用于感知二者相对位姿；对接步骤如下：步骤1：建立AUV在海流干扰下的动力学模型；其中，η＝[x y z ψ θ]
T
为对接AUV的运动状态，也是运动学方程的系统输出，v
r
＝[u
r v
r w
r q r]
T
为运动学方程的控制输入，也是对接AUV相对于水流的速度，v
f
＝[v
fx v
fy v
fz 0 0]
T
为地面坐标系下的水流速度，n为AUV在水下受到的外界动态干扰；M为惯性矩阵；C(v)为哥氏力和向心力矩阵；D(v)为阻尼矩阵；J(ψ,θ)为转换矩阵且包含以下参数θ为俯仰角，ψ为航向角；τ
T
为AUV在运动过程中所产生的控制力矩，g(η)为载体系下的恢复力矩；步骤2：设计AUV在海流干扰下的动力学模型的滑模控制器，控制输入为：输出为航行器推进器的力；其中：L分别为对应推进器到AUV几何中心的直线距离且表示为：s为滑模切换函数，e
B
为体坐标系下与目标AUV之间的观测误差，为已知函数矩阵且包含以下参数：...

【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，
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：