【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及海洋工程装备领域，属于水下潜航器运动控制，尤其涉及一种动态积分扰动观测器的水下潜航器轨迹跟踪控制方法。
技术介绍
1、水下潜航器作为海洋水质和生态要素、声学、光学测量与探测设备，已成为海洋环境服务、矿产地质勘察和水下救捞等各种海洋观测和勘探任务的重要工具。特别是在水下作业过程中，水下潜航器作为水下应急减灾和消防设备，水下设施应急设备，呼吸器保护装置等水下救捞装备制造，为海洋作业提供了必不可少的保障。这些任务的成功执行要求水下潜航器具有精确的轨迹跟踪控制性能。然而，由于水下潜航器的控制系统受到耦合非线性、水动力参数不确定性、数学模型参数不确定性及未知环境干扰和时变洋流的影响，阻碍了传统的线性控制方法实现所需的跟踪控制性能，因此，精确控制对于水下潜航器是困难且具有挑战性的任务。
2、专利cn11831011a《一种水下机器人平面轨迹跟踪控制的方法》中：在设计扰动观测器对扰动进行集总估计时，只考虑了外界的时变干扰，而未考虑对象在动力学中的模型不确定性和水下洋流变化的影响，这种设计不太贴合实际需求，尤其是在复杂和不确定性较强的场景下，轨迹跟踪的精度和稳定性难以达到要求。
3、专利cn114442640a《一种水面无人艇轨迹跟踪控制方法》中：所设计的洋流自适应估计律，在初始阶段，表现出较大的超调量，影响了初期估计的准确性，增加了系统的误差。
4、论文《fast finite-time super-twisting sliding mode control with anextended s
5、论文《trajectory tracking control of remotely operated vehicles via afast-sliding mode controller with a fixed-time disturbance observer》存在以下问题：
6、(1)论文中的在建立模型时未包含洋流的影响，而洋流对水下潜航器的作用往往呈现非线性、时变特性，会影响控制器的性能，在实际应用中，难以达到轨迹跟踪效果。
7、(2)论文中的固定时间扰动观测器使用sign函数和直接估计扰动的设计，虽然简单且实现方便，但在实际应用中存在抖振，响应慢，估计精度低等问题。
8、(3)论文中采用快速趋近律通过高增益项来增加控制力，虽然实现了快速响应和高精度控制，但同时也带来了较大的控制输入幅值，导致能耗增加，降低了水下潜航器的续航能力。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提出一种动态积分扰动观测器的水下潜航器轨迹跟踪控制方法，解决水下潜航器在轨迹跟踪任务中出现跟踪速度慢，精度低、能耗高的问题。
2、本专利技术为了解决上述问题采用以下技术方案：设计了一种动态积分扰动观测器的水下潜航器轨迹跟踪控制方法，考虑水下潜航器在水下航行会受到外部扰动以及模型的不确定性和洋流变化的影响，在对水下潜航器进行三自由度建模时加入洋流变化和集总扰动，同时设计动态积分扰动观测器对扰动进行集总观测以及低超调自适应洋流观测器对洋流进行估计，再将集总扰动和洋流估计值结合光滑快速双幂次滑模控制器设计轨迹跟踪控制律，实现水下潜航器精准跟踪。
3、为实现上述目的，本专利技术采用如下设计方案。具体步骤如下：
4、s1：构建水下潜航器三自由度运动学模型和动力学模型；
5、s2：基于构建的所述水下潜航器模型，设计动态积分扰动观测器来估计未知干扰和低超调自适应洋流观测器对洋流进行估计；
6、s3：根据跟踪误差，设计二阶滑模函数和光滑快速双幂次趋近律；
7、s4：根据s3构建出光滑快速双幂次滑模控制器，并将s2扰动观测器的估计值和洋流估计补偿到控制器输出中，实现未知时变扰动以及洋流变化下水下潜航器的轨迹跟踪控制。
8、所述s1中，构建水下潜航器三自由度运动学模型和动力学模型：
9、建立水下潜航器的三自由度运动学模型为：
10、
11、式中，η＝[x,y,ψ]t表示水下潜航器在大地坐标系下的位置信息[x,y]和艏向角度信息ψ构成的向量，x和y分别表示水下潜航器在大地坐标系下的横坐标和纵坐标，vr＝[u,v,r]t表示水下潜航器在物体坐标下相对于洋流运动的速度向量，由纵荡速度u，横荡速度v和艏摇角速度r构成的向量，j(η)表示惯性坐标系与物体坐标系转换矩阵，vf＝[uf,vf,0]为洋流速度向量，uf为洋流横向速度，vf为洋流纵向速度，vc是物体坐标系中洋流速度。
12、建立水下潜航器的动力学模型：
13、
14、式中，τe代表未知时变外部干扰力矢量，τt表示控制力和力矩矢量，m＝m0+δm为惯性矩阵，c(νr)＝c0(νr)+δc(νr)为科里奥利和向心矩阵，d(νr)＝d0(νr)+δd(νr)为阻尼矩阵，m0、c0(ν)和d0(ν)为标称矩阵，δm、δc(ν)和δd(ν)表示模型不确定性，水下潜航器动力学中的模型不确定性向量表示为：
15、式(2)动力学模型可以重写为
16、
17、式中，τd＝τe+τm表示动态的集总扰动向量，包括模型不确定项τm和外部扰动项τe。
18、所述s2中，基于构建的所述水下潜航器模型，设计低超调自适应洋流观测器和动态积分扰动观测器来估计洋流速度和未知扰动：
19、低超调自适应洋流观测器设计如下：
20、洋流uf横向速度为：
21、
22、式中，为水下潜航器横向位置坐标x估计值的一阶导数，l1，lx1，lx2，lx3，lx为正常数，为洋流横向速度uf的估计值，为调节因子估计，是的一阶导数。
23、洋流vf纵向速度为：
24、
25、式中，为水下潜航器纵向位置坐标y估计值的一阶导数，l2，ly1，ly2，ly3，ly为正常数，为洋流纵向速度vf的估计值，为调节因子估计，是的一阶导数。
26、根据动力学模型式(3)，设计水下潜航器的扰动误差构造辅助动力系统的状态向量为其形式为：
27、
28、式中，是τd的估计；
29、设计滑模变量为：
30、
31、式中，s1＝[s11 s12 s13]t表示估计误差；
32、然后，采用以下积分滑模变量：
33、
34、式中，0<α<1，β＞1，k1＞0，k2＞0，k3＞0和k4＞0是设计参数，s2＝本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种动态积分扰动观测器的水下潜航器轨迹跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
【技术特征摘要】
1.一种动态积分扰动观测器的水下潜航器轨迹...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙明晓，郑浩，栾添添，孙明旭，贲放，刘成宇，周子淇，梁洪杰，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：
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