基于自主水下机器人航向运动的动态状态反馈控制方法_CN109814583A
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代理人 胡里程 (51)Int .Cl .
G05D 1/06(2006 .01)
(10)申请公布号 CN 109814583 A (43)申请公布日 2019.05.28
( 54 )发明 名称 基于自 主水下 机器人 航向 运 动的 动态状 态
反馈控制方法 ( 57 )摘要
本发明公开了一种基于自主水下机器人航 向运动的动态状态反馈控制方法。本发明提出的 技术方案为 ，首先 ，根据自 主水下机器人航向 运 动模型特点构建AUV系统航向 运动模型 ，此模型 与纵向 速度耦合 ；然后 ，根据现代控 制理论的 可 控性判据判断系统能否实现极点的任意配置，分 析可证明此类模型均具有完全能控性 ，即可实现 极点任意配置，预设期望极点即获得期望特征方 程 ；同时将两控制参数作为待求量代入控制律 中 ，获得含有控制参数的特征方程；本发明通过 联立期望特征方程与含有控制参数的特征方程， 获取关键控制参数的求取步骤。本控制方法是一 种简易、通用的二阶AUV航向动态状态反馈控制 方法，该方法也可以推广到其他具有两垂直舵控 制航向的AUV系统中。
适用于动态反馈控制律δr(t)。
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CN 109814583 A
说 明 书
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基于自主水下机器人航向运动的动态状态反馈控制方法
技术领域 [0001] 本发明设计是一种航向运动控制技术，特别是指自主水下机器人系统控制执行机 构为垂直舵，采用纵向速度动态调整状态反馈控制参数的一种方法。
背景技术 [0002] 精确的航向运动控制是自主水下机器人(AUV-Autonomous Underwater Vehicle) 完成水下作业任务的关键 ，如水下路径跟踪、水下采样、水下焊接等任务 ，有着重要的 作 用 与意义。然而，AUV系统航向运动模型具有较强的复杂性、非线性与耦合性、外界环境干扰较 难描述等特点，增加了AUV系统航向运动控制策略设计的难度。AUV系统航向控制与纵向速 度有着较强耦合关系，相互干扰，导致系统航向控制精度变差；且由于AUV系统自身的流行 曲线，AUV系统在近水面航行时系统表面积均受外界波浪力影响，为了保证系统具有良好的 控制品质，系统控制策略应具有较强的抵抗外界波浪力的能力。 [0003] 目前国内外关于AUV航向运动控制的控制策略，多以PID(Proportional Integral Derivative ,比例积分微分)控制或其他自适应控制为主。由于AUV系统航向运动模型是一 种强耦合于纵向速度的 系统 ，且模型表述形式复 杂 ，系统运动控制方法多计算量大导致系 统运动控 制反应迟缓。许多专家采 用PID控制方法 ，在AUV外场试验中 系统运动控制多采 用 分段PID控制方法 ，所谓分段是根据纵向速度不同设置不同的 PID控制参数组 ，各控制参数 组需 在不同 纵向 速度下试验获得 ，故可能需 要大量试验才能 确定各航速段对应的 控 制参 数，且无法解决纵向速度对航向运动的耦合影响。附图1为PID控制下AUV系统航向运动控制 输出结果图 ，分析附图1知AUV在纵向速度变速瞬间航向有较大抖动。 [0004] 本发明针对航向运动强耦合于纵向速度特点设计了动态反馈控制法，采用纵向速 度动态自动调整状态反馈控制参数的方法解决系统耦合问题。 [0005] 本发明正是为AUV系统航向运动提供一种可以消弱纵向速度对航向运动耦合影响 的简单易行控制方法。
权利要求书2页 说明书4页 附图13页
CN 109814583 A
CN 109814583 A
权 利 要 求 书
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1 .一种基于自主水下机器人航向运动的动态状态反馈控制方法，其特征在于：动态调 整状态反馈控制参数 ，消弱自 主水下机器人纵向 速度对其航向运动的 耦合影响 ，提高自 主 水下机器人 系统抗干扰能 力与自适应于被控对象能 力 ，控制方法通 用性强 ，且只有两控制 参数kr kψ，该方法包含以下步骤：
——加速度水动力参数，无单位； Izz——转动惯量，无单位；
a——
无单位；
b——
无单位；
u——为纵向速度，单位米/秒； λ——为特征方程算子，无单位； λr——为特征方程一期望极点，具有负实部，无单位； λψ——为特征方程一期望极点，具有负实部，无单位； kr——为状态反馈控制律一控制参数，随着纵向速度与模型参数变化，无单位； kψ——为状态反馈控制律一控制参数，随着纵向速度与模型参数变化，无单位； δr——为状态反馈控制律，物理表述为自主水下机器人系统垂直舵输出角度，随着纵向
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CN 109814583 A
权 利 要 求 书
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速度与模型参数变化而变化，单位度。 2 .根据权利要求1所述的基于自主水下机器人航向运动的动态状态反馈控制方法，其
特征在于：所述的两控制参数kr kψ实现纵向速度动态调整，通过以下方法得到： 权利要求1条件(2)的期望特征方程与权利要求1条件(3)的特征方程联立E(λ)＝λ2-(λr
向速度变化而变化，其主要表现为控制参数所含两系数
与
均包含纵
向速度；
控制参数
分母b含有纵向速
度 ，为了避免由 于纵向 速度过低导致控 制参数过大 ，造成 系统控 制执行机构垂直舵长时间 处 于 满 舵 状 态 ，本 发 明 对 两 控 制 参 数 所 含 纵 向 速 度 进 行 约 束 ，约 束 条 件 为
( 19 )中华人民 共和国国家知识产权局
( 12 )发明专利申请
(21)申请号 201910046333 .0 (22)申请日 2019 .01 .18 (71)申请人 东华理工大学
地址 344000 江西省抚州市市辖区抚州市 学府路56号
(72)发明人 周焕银 刘金生 (74)专利代理机构 江西省专利事务所 36100
(3)设置待求控制参数kr kψ构建状态反馈控制律δr(t)＝krer+kψeψ，将控制律代入条件 (1)中航向运动状态方程，得到加入控制律后的特征方程为E(λ)＝λ2-(a+bkr)λ-bkψ；
(4) 对比 条件 (2) 的 期望特征方程与条件 (3) 的 加入状态反馈控 来自百度文库律的 特征方程 ，可得
(1) 构建自 主水下机器人 系统航向 运 动模型 ，根据自 主水下机器人 系统航向 运 动控 制
特点，构建航向运动状态方程
(2) 根据能 控性 判据知系统完全能 控 ，可实现极点的 任意配置 ，预设期望极点为λr、λψ， 从而得到加入状态反馈后，系统期望特征方程为E(λ)＝λ2-(λr+λψ)λ+λrλψ；
控制参数kr kψ为
(5)确定状态反馈控制律
ψ——为自主水下机器人航向角，单位度； r——为航向角速度，单位弧度/秒； eψ——为自主水下机器人航向角误差即实际航向角与期望航向角的差，单位度； er——为自 主水下机器人航向 角速度误差即实际 航向 角速度与期望航向 角速度的 差 ， 单位度； Nr——系统非线性水动力系数，无单位； Nδ——系统非线性水动力系数，无单位；
+λψ)λ+λrλψ ＝λ2 - ( a + b k r )λ- b k ψ 根 据 方 程 两 边 对 应 系 数 相 等 ，推 出
3 .根据权利要求1所述的基于自主水下机器人航向运动的动态状态反馈控制方法，其 特征在于：控制参数所含动态量的约束条件；所述的两系数a，b描述知控制参数kr kψ随着纵
G05D 1/06(2006 .01)
(10)申请公布号 CN 109814583 A (43)申请公布日 2019.05.28
( 54 )发明 名称 基于自 主水下 机器人 航向 运 动的 动态状 态
反馈控制方法 ( 57 )摘要
本发明公开了一种基于自主水下机器人航 向运动的动态状态反馈控制方法。本发明提出的 技术方案为 ，首先 ，根据自 主水下机器人航向 运 动模型特点构建AUV系统航向 运动模型 ，此模型 与纵向 速度耦合 ；然后 ，根据现代控 制理论的 可 控性判据判断系统能否实现极点的任意配置，分 析可证明此类模型均具有完全能控性 ，即可实现 极点任意配置，预设期望极点即获得期望特征方 程 ；同时将两控制参数作为待求量代入控制律 中 ，获得含有控制参数的特征方程；本发明通过 联立期望特征方程与含有控制参数的特征方程， 获取关键控制参数的求取步骤。本控制方法是一 种简易、通用的二阶AUV航向动态状态反馈控制 方法，该方法也可以推广到其他具有两垂直舵控 制航向的AUV系统中。
适用于动态反馈控制律δr(t)。
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CN 109814583 A
说 明 书
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基于自主水下机器人航向运动的动态状态反馈控制方法
技术领域 [0001] 本发明设计是一种航向运动控制技术，特别是指自主水下机器人系统控制执行机 构为垂直舵，采用纵向速度动态调整状态反馈控制参数的一种方法。
背景技术 [0002] 精确的航向运动控制是自主水下机器人(AUV-Autonomous Underwater Vehicle) 完成水下作业任务的关键 ，如水下路径跟踪、水下采样、水下焊接等任务 ，有着重要的 作 用 与意义。然而，AUV系统航向运动模型具有较强的复杂性、非线性与耦合性、外界环境干扰较 难描述等特点，增加了AUV系统航向运动控制策略设计的难度。AUV系统航向控制与纵向速 度有着较强耦合关系，相互干扰，导致系统航向控制精度变差；且由于AUV系统自身的流行 曲线，AUV系统在近水面航行时系统表面积均受外界波浪力影响，为了保证系统具有良好的 控制品质，系统控制策略应具有较强的抵抗外界波浪力的能力。 [0003] 目前国内外关于AUV航向运动控制的控制策略，多以PID(Proportional Integral Derivative ,比例积分微分)控制或其他自适应控制为主。由于AUV系统航向运动模型是一 种强耦合于纵向速度的 系统 ，且模型表述形式复 杂 ，系统运动控制方法多计算量大导致系 统运动控 制反应迟缓。许多专家采 用PID控制方法 ，在AUV外场试验中 系统运动控制多采 用 分段PID控制方法 ，所谓分段是根据纵向速度不同设置不同的 PID控制参数组 ，各控制参数 组需 在不同 纵向 速度下试验获得 ，故可能需 要大量试验才能 确定各航速段对应的 控 制参 数，且无法解决纵向速度对航向运动的耦合影响。附图1为PID控制下AUV系统航向运动控制 输出结果图 ，分析附图1知AUV在纵向速度变速瞬间航向有较大抖动。 [0004] 本发明针对航向运动强耦合于纵向速度特点设计了动态反馈控制法，采用纵向速 度动态自动调整状态反馈控制参数的方法解决系统耦合问题。 [0005] 本发明正是为AUV系统航向运动提供一种可以消弱纵向速度对航向运动耦合影响 的简单易行控制方法。
权利要求书2页 说明书4页 附图13页
CN 109814583 A
CN 109814583 A
权 利 要 求 书
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1 .一种基于自主水下机器人航向运动的动态状态反馈控制方法，其特征在于：动态调 整状态反馈控制参数 ，消弱自 主水下机器人纵向 速度对其航向运动的 耦合影响 ，提高自 主 水下机器人 系统抗干扰能 力与自适应于被控对象能 力 ，控制方法通 用性强 ，且只有两控制 参数kr kψ，该方法包含以下步骤：
——加速度水动力参数，无单位； Izz——转动惯量，无单位；
a——
无单位；
b——
无单位；
u——为纵向速度，单位米/秒； λ——为特征方程算子，无单位； λr——为特征方程一期望极点，具有负实部，无单位； λψ——为特征方程一期望极点，具有负实部，无单位； kr——为状态反馈控制律一控制参数，随着纵向速度与模型参数变化，无单位； kψ——为状态反馈控制律一控制参数，随着纵向速度与模型参数变化，无单位； δr——为状态反馈控制律，物理表述为自主水下机器人系统垂直舵输出角度，随着纵向
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CN 109814583 A
权 利 要 求 书
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速度与模型参数变化而变化，单位度。 2 .根据权利要求1所述的基于自主水下机器人航向运动的动态状态反馈控制方法，其
特征在于：所述的两控制参数kr kψ实现纵向速度动态调整，通过以下方法得到： 权利要求1条件(2)的期望特征方程与权利要求1条件(3)的特征方程联立E(λ)＝λ2-(λr
向速度变化而变化，其主要表现为控制参数所含两系数
与
均包含纵
向速度；
控制参数
分母b含有纵向速
度 ，为了避免由 于纵向 速度过低导致控 制参数过大 ，造成 系统控 制执行机构垂直舵长时间 处 于 满 舵 状 态 ，本 发 明 对 两 控 制 参 数 所 含 纵 向 速 度 进 行 约 束 ，约 束 条 件 为
( 19 )中华人民 共和国国家知识产权局
( 12 )发明专利申请
(21)申请号 201910046333 .0 (22)申请日 2019 .01 .18 (71)申请人 东华理工大学
地址 344000 江西省抚州市市辖区抚州市 学府路56号
(72)发明人 周焕银 刘金生 (74)专利代理机构 江西省专利事务所 36100
(3)设置待求控制参数kr kψ构建状态反馈控制律δr(t)＝krer+kψeψ，将控制律代入条件 (1)中航向运动状态方程，得到加入控制律后的特征方程为E(λ)＝λ2-(a+bkr)λ-bkψ；
(4) 对比 条件 (2) 的 期望特征方程与条件 (3) 的 加入状态反馈控 来自百度文库律的 特征方程 ，可得
(1) 构建自 主水下机器人 系统航向 运 动模型 ，根据自 主水下机器人 系统航向 运 动控 制
特点，构建航向运动状态方程
(2) 根据能 控性 判据知系统完全能 控 ，可实现极点的 任意配置 ，预设期望极点为λr、λψ， 从而得到加入状态反馈后，系统期望特征方程为E(λ)＝λ2-(λr+λψ)λ+λrλψ；
控制参数kr kψ为
(5)确定状态反馈控制律
ψ——为自主水下机器人航向角，单位度； r——为航向角速度，单位弧度/秒； eψ——为自主水下机器人航向角误差即实际航向角与期望航向角的差，单位度； er——为自 主水下机器人航向 角速度误差即实际 航向 角速度与期望航向 角速度的 差 ， 单位度； Nr——系统非线性水动力系数，无单位； Nδ——系统非线性水动力系数，无单位；
+λψ)λ+λrλψ ＝λ2 - ( a + b k r )λ- b k ψ 根 据 方 程 两 边 对 应 系 数 相 等 ，推 出
3 .根据权利要求1所述的基于自主水下机器人航向运动的动态状态反馈控制方法，其 特征在于：控制参数所含动态量的约束条件；所述的两系数a，b描述知控制参数kr kψ随着纵