【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及无人系统轨迹跟踪控制，具体涉及一种基于预设时间干扰观测器的水面水下异构协同控制方法及装置。
技术介绍
1、近几十年，海洋技术因海洋探索投入增加而备受瞩目。人类在面对海底测绘、海洋测量、扫雷、海上救援和环境监测等高风险任务时，常使用水面无人船和水下无人航行器来执行。因此水面与水下协同控制技术逐渐成为当前海洋工程领域的一个研究热点。
2、在海洋环境的复杂性和多变性中，水面无人船和水下无人航行器在协同执行任务时，其运动系统表现出强非线性特征，并且受到风、浪、流等不确定干扰的影响。如何有效应对这些干扰，确保航行安全，是一个亟需解决的关键问题。面对这些干扰，滑模控制因为其强大的鲁棒性备受关注，但是在减少系统抖振的同时提高响应速度，是滑模控制系统面临的挑战。此外，模型预测控制是常用的技术，但由于其计算量大，在协同控制中实时性表现并不理想，pid技术可能会产生超调现象，无法满足协同控制的安全性，因此，需要研究能满足水面与水下无人系统协同控制实时性和安全性的方法，这对于提高海洋目标探测能力至关重要。
3、具体的，在现有的工作中，大多数关于协同控制的研究集中在均质系统。水面水下协同控制作为一种跨域作业的方式，具有工作效率高、能执行复杂任务等优点。目前有两种使用较多的技术方法：
4、(1)通过应用分布式模型预测控制技术，实现了水面与水下系统的协同控制。然而，该技术在计算过程中需要处理大量数据，而船舶设备在计算能力上存在一定的局限性。因此，算法的实施需要额外的计算时间，这不可避免地对协同控制的实时响应
5、(2)采用传统的pid控制技术来实现水面与水下系统的协同控制，虽然这种方法在某些情况下是有效的，但它需要频繁地调整控制参数以满足协同效果的期望值。此外，当遇到恶劣的外部环境条件时，pid控制的自适应能力显得不足，这对协同控制的安全性造成不利影响。
6、鉴于此，本专利技术提出一种基于预设时间干扰观测器的水面水下异构协同控制方法及装置。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提出一种基于预设时间干扰观测器的水面水下异构协同控制方法及装置，基于垂直投影融合视线法的制导策略实现水面与水下系统的高效协同；通过设计预设时间干扰观测器，能够快速估计并补偿未知干扰，且该过程不受初始状态的影响；同时，通过改进的趋近律设计，显著提升系统的响应速度，使得水面无人船和水下无人航行器能够安全、精确且稳定地执行协同跟踪任务。
2、为实现上述目的，本专利技术的技术方案是如下：
3、一种基于预设时间干扰观测器的水面水下异构协同控制方法，包括以下步骤：
4、步骤1、岸基设备根据任务目标发送期望轨迹给水面无人船；
5、步骤2、水面无人船通过无线电模块获得期望轨迹，并通过定位系统获取无人船本体状态信息；
6、步骤3、水下无人航行器通过水声通信机获取水面无人船状态信息，通过光纤惯导装置获取水下无人航行器本体状态信息；
7、步骤4、水面无人船控制器根据指定的期望轨迹、无人船本体实际状态信息以及预设时间干扰观测器得到的补偿值进行分析计算，得到期望控制力矩；水下无人航行器控制器根据制导方法得到的期望轨迹、水面无人船的实际状态信息、水下无人航行器本体实际状态信息以及预设时间干扰观测器得到的补偿值进行分析计算，得到期望控制力矩；
8、步骤5、水面无人船控制器和水下无人航行器控制器分别将计算得到的控制力矩指令下发至水面无人船控制器和水下无人航行器的推进器，实现水面无人船与水下无人航行器异构协同控制；
9、步骤6、水面无人船和水下无人航行器在协同航行到任务位置时，启动侧扫声呐和下视多波束声呐，对任务区域进行目标探测。
10、优选的，所述通过定位系统获取无人船本体状态信息具体为：通过gps定位系统获取无人船本体的状态信息，其中，位置经纬度通过坐标转换转为水面无人船在惯性坐标下的位置向量。
11、优选的，所述水下无人航行器本体状态信息的获取还包括：水下无人航行器通过光纤惯导以及多普勒计程仪计算获取本体状态信息，通过水声通信机的定位功能对计算获得的本体状态信息进行矫正。
12、优选的，所述步骤s4包括如下具体步骤：
13、步骤4.1、建立水面无人船与水下无人航行器混合运动模型；所述水面无人船与水下无人航行器混合运动模型包括水面无人船-水下无人航行器混合系统的非线性运动学模型和非线性动力学模型；
14、步骤4.2、通过视线法融合垂直投影构建水面无人船相对于参考轨迹的轨迹偏差和水下无人航行器相对于水面无人船的参考轨迹偏差；
15、步骤4.3、构建预设时间干扰观测器，用以估计外界对于水面水下异构协同系统作业时的干扰因素；
16、步骤4.4、基于预设时间干扰观测器的外界干扰估计值和改进自适应积分终端滑模控制方法，进行控制律的设计，以计算期望控制力矩。
17、优选的，所述非线性运动学模型具体为：
18、
19、其中，xl、yl表示水面无人船的位置，ψl表示水面无人船的航向角，ul、vl、rl分别表示水面无人船的纵摇速度、横摇速度和偏航角速度；xf、yf、zf分别表示水下无人航行器的位置，ψf表示水下无人航行器的航向角，uf、vf、wf、rf分别表示水下无人航行器的纵摇速度、横摇速度、垂直速度和偏航角速度。
20、优选的，所述非线性动力学模型具体为：
21、
22、其中τl＝[τlu,0,τlr]t表示作用于水面无人船的控制力和扭矩，dl＝[dlu,dlv,dlr]t表示对于水面无人船由海流和波浪引起的未知的时变环境扰动；τf＝[τfu,0,0,0,τfw,τfr]t表示作用于水下无人航行器的控制力和扭矩，df＝[dfu,dfv,dfw,dfr]t表示对于水下无人航行器由海流和波浪引起的未知的时变环境扰动；ml＝[ml11,ml22,ml33]t表示水面无人船的附加质量，mf＝[mf11,mf22,mf33,mf44]t表示水下无人航行器的附加质量。
23、优选的，所述步骤s4.2具体包括以下步骤：
24、s4.2.1、用垂直投影将水面无人船的实际航行轨迹投影至水下，水面无人船的状态信息通过水声通信机传输给水下无人航行器；
25、s4.2.2、水下无人航行器获得无人船的航行轨迹(xp(t),yp(t))，并计算轨迹的切向角φp：
26、φp＝arctan(y'p(t)/x'p(t)) (3)
27、其中
28、s4.2.3、计算水下无人航行器与水面无人船实际位置在轨迹参考坐标系opxpyp下的位置误差：
29、
30、对上式位置误差求导，得出跟踪误差动态：
31、
32、其中，表示水下无人航行器的合速度；β＝arctan(v/u)为水下无人航行器的侧滑角；为本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于预设时间干扰观测器的水面水下异构协同控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于预设时间干扰观测器的水面水下异构协同控制方法，其特征在于，所述通过定位系统获取无人船本体状态信息具体为：通过GPS定位系统获取无人船本体的状态信息，其中，位置经纬度通过坐标转换转为水面无人船在惯性坐标下的位置向量。
3.根据权利要求1所述的一种基于预设时间干扰观测器的水面水下异构协同控制方法，其特征在于，所述水下无人航行器本体状态信息的获取还包括：水下无人航行器通过光纤惯导以及多普勒计程仪计算获取本体状态信息，通过水声通信机的定位功能对计算获得的本体状态信息进行矫正。
4.根据权利要求1所述的一种基于预设时间干扰观测器的水面水下异构协同控制方法，其特征在于，所述步骤S4包括如下具体步骤：
5.根据权利要求3所述的一种基于预设时间干扰观测器的水面水下异构协同控制方法，其特征在于，所述非线性运动学模型具体为：
6.根据权利要求4所述的一种基于预设时间干扰观测器的水面水下异构协同控制方法，其特征在于，所述非线性
7.根据权利要求3所述的一种基于预设时间干扰观测器的水面水下异构协同控制方法，其特征在于，所述步骤S4.2具体包括以下步骤：
8.根据权利要求3所述的一种基于预设时间干扰观测器的水面水下异构协同控制方法，其特征在于，所述步骤S4.3中采用以下方法分别构造水面无人船或水下无人航行器的预定时间干扰观测器：
9.根据权利要求3所述的一种基于预设时间干扰观测器的水面水下异构协同控制方法，其特征在于，所述步骤S4.4具体包括以下步骤：
10.一种基于预设时间干扰观测器的水面水下异构协同控制系统，其特征在于，所述系统采用如权利要求1-9中任一项所述的基于预设时间干扰观测器的水面水下异构协同控制方法实现控制，包括岸基设备、水面无人船和水下无人航行器；
...【技术特征摘要】
1.一种基于预设时间干扰观测器的水面水下异构协同控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于预设时间干扰观测器的水面水下异构协同控制方法，其特征在于，所述通过定位系统获取无人船本体状态信息具体为：通过gps定位系统获取无人船本体的状态信息，其中，位置经纬度通过坐标转换转为水面无人船在惯性坐标下的位置向量。
3.根据权利要求1所述的一种基于预设时间干扰观测器的水面水下异构协同控制方法，其特征在于，所述水下无人航行器本体状态信息的获取还包括：水下无人航行器通过光纤惯导以及多普勒计程仪计算获取本体状态信息，通过水声通信机的定位功能对计算获得的本体状态信息进行矫正。
4.根据权利要求1所述的一种基于预设时间干扰观测器的水面水下异构协同控制方法，其特征在于，所述步骤s4包括如下具体步骤：
5.根据权利要求3所述的一种基于预设时间干扰观测器的水面水下异构协同控制方法，其特征在于，所...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴德烽，胡瑞林，游政，武东杰，黎国强，涂婉丽，钟尚坤，刘启俊，张卫东，孙志坚，
申请(专利权)人：集美大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。