自主水下機器人的海洋環(huán)境自識別的航跡精確跟蹤方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及水下機器人技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種自主水下機器人（簡稱AUV)的海 洋環(huán)境自識別的航跡精確跟蹤方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在海洋應(yīng)用中，水下機器人發(fā)揮越來越重要的作用。水下機器人分成兩類：一種是 遙控式有纜水下機器人（簡稱R0V)，一種是自主水下機器人（簡稱AUV)。ROV需要水面母 船支持，同時受到電纜長度的限制，其作業(yè)距離有限，一般只有幾百米；而AUV自身攜帶能 源，可以遠(yuǎn)離母船，活動距離達(dá)到幾十公里甚至上百公里。所以AUV的研究越來越受到各國 的重視，AUV的發(fā)展代表了未來水下機器人的發(fā)展方向。
[0003] AUV的控制方法比ROV的控制方法復(fù)雜，只有設(shè)計出好的控制方法才能發(fā)揮出AUV 強大的作業(yè)能力。AUV執(zhí)行遠(yuǎn)距離地形勘查、管線跟蹤都依賴于AUV的精確航跡跟蹤控制， 即AUV精確航跡跟蹤控制技術(shù)的發(fā)展影響AUV的遠(yuǎn)程和深海作業(yè)能力。傳統(tǒng)AUV精確航跡 跟蹤控制方法主要采用經(jīng)典線性控制理論進行控制，這種方法最大的好處是算法簡單，但 是經(jīng)典精確航跡跟蹤控制方法依賴于AUV參數(shù)的穩(wěn)定。而AUV的參數(shù)是強非線性耦合和時 變的，理論計算和試航時的參數(shù)辨識是特定時間和外界環(huán)境條件下的參數(shù)。
[0004] AUV作業(yè)的海洋環(huán)境復(fù)雜，海浪和海流等干擾因素隨著工作海域和深度的不同而 發(fā)生變化，這些不確定干擾因素是空間和時間的復(fù)雜函數(shù)，無法被預(yù)知和準(zhǔn)確建模。環(huán)境的 改變使AUV參數(shù)發(fā)生改變，經(jīng)典的控制方法無法適應(yīng)外界環(huán)境的變化，導(dǎo)致AUV的精確航跡 跟蹤效果降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對傳統(tǒng)精確航跡跟蹤控制方法在對于系數(shù)敏感性較強和抗干擾性較弱的問題， 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種自主水下機器人的海洋環(huán)境自識別的航跡精確跟蹤 方法，將傳統(tǒng)精確跟蹤控制方法和在線參數(shù)辨識相結(jié)合的控制方法，降低了控制系統(tǒng)對參 數(shù)敏感性和提高系統(tǒng)的控制抗干擾性。
[0006] 本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是：一種自主水下機器人的海洋環(huán)境自 識別的航跡精確跟蹤方法，包括以下步驟：
[0007] 海洋環(huán)境參數(shù)識別：計算海流速度值在水下機器人垂直方向的投影；
[0008] 航跡跟蹤：通過計算水下機器人與規(guī)劃航跡的橫向距離ε (t)、水下機器人航向 角與規(guī)劃航跡角的偏差量，結(jié)合水下機器人的對底前向速度u和水下機器人的轉(zhuǎn) 艏角速度r計算水下機器人的水平面轉(zhuǎn)艏力矩τη。
[0009] 所述計算海流速度值在水下機器人垂直方向的投影，具體為：
[0010] 計算側(cè)向來流偏角
[0012] 其中，N是測量時刻總次數(shù)；i是第i次測量時刻；ξ種Tl i是第i次測量時的北 向位置和東向位置，是已知參數(shù)；》和$是N次測量的北向位置和東向位置的期望；^是 第i次測量時的水下機器人航向角，是已知參數(shù)；^是N次測量的水下機器人航向角的期 望；^、；/、f和彥，它們是方程⑴的待定系數(shù)，通過求解方程⑴，計算出7/、_ρ_和 多的值；
[0013] 在計算出多值后，海流速度值在水下機器人垂直方向的投影V。為：
[0015] 其中，u是水下機器人的對底前向速度，是已知參數(shù)。
[0016] 所述水下機器人與規(guī)劃航跡的橫向距離ε (t)、水下機器人航向角與規(guī)劃航跡角 的偏差量F⑴通過下式計算：
[0018] 其中，Φ⑴是水下機器人當(dāng)前的航向角；U1 u Tl1 J是規(guī)劃航跡起點的北向 位置坐標(biāo)和東向位置坐標(biāo)；（Ii, Hi)是規(guī)劃航跡終點的北向位置坐標(biāo)和東向位置坐標(biāo)； Φ 是規(guī)劃航跡角，是中間變量；Φ⑴是航向角；是側(cè)向來流偏角；ξ是當(dāng)前水下機 器人的東向位置坐標(biāo)；η是當(dāng)前水下機器人的北向位置坐標(biāo)。
[0019] 所述水下機器人的水平面轉(zhuǎn)艏力矩τ η的計算方法為：
[0021] 其中，是水下機器人航向角與規(guī)劃航跡角的偏差量，ε (t)是水下機器人 與規(guī)劃航跡的橫向距離，σ是中間變量，η、λρ λ 2和φ是水下機器人航跡控制參數(shù)，由 實驗測定的常量，1彡η彡3，1彡3，1彡λ 2彡3,0彡Φ彡1。
[0022] 所述水下機器人的對底前向速度u和水下機器人的轉(zhuǎn)艏角速度r通過水下機器人 搭載的傳感器測量得到。
[0023] 本發(fā)明采用滑?？刂评碚撆c在線參數(shù)辨識理論相結(jié)合的方法，對于水動力參數(shù)變 化和海洋環(huán)境參數(shù)變化的不敏感性和控制抗干擾性優(yōu)于傳統(tǒng)的精確航跡跟蹤控制方法，更 加適合AUV這種在復(fù)雜海洋環(huán)境下的非線性時變模型系統(tǒng)。具體的說，本發(fā)明具有以下優(yōu) 點及有益效果：
[0024] 1.對于水動力系數(shù)不敏感。相比傳統(tǒng)的控制方法，本方法對于水動力系數(shù)不敏感， 能夠在水動力模型不準(zhǔn)確的情況下使用。
[0025] 2.能夠更好地適應(yīng)外界環(huán)境的改變。當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生改變時，例如外部海流環(huán)境 發(fā)生變化時，傳統(tǒng)的控制方法會偏離最佳工作狀態(tài)，降低控制系統(tǒng)性能；本方法具有更好的 魯棒性，更好地適應(yīng)外界環(huán)境的改變。
[0026] 3.應(yīng)用范圍廣。本發(fā)明不但可以應(yīng)用于AUV，還可以用于各種水下機器人的精確 航跡控制。
【附圖說明】
[0027] 圖1為本發(fā)明應(yīng)用環(huán)境不意圖；
[0028] 圖2為本發(fā)明中相關(guān)參數(shù)關(guān)系圖。
【具體實施方式】
[0029] 下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做進一步的詳細(xì)說明。
[0030] 本發(fā)明的硬件要求是一臺AUV，艉部配置2個水平舵，在艉部水平舵上裝有2個推 進電機；在艉部配置一個垂直舵，如圖1所示。在AUV設(shè)計完成后，首先進行水池水動力試 驗，獲得AUV的水動力系數(shù)。然后按照本發(fā)明方法設(shè)計AUV的精確航跡跟蹤控制器。最后， 將使用本發(fā)明方法的AUV進行航行試驗，驗證控制方法的正確性。
[0031] 本發(fā)明的AUV精確航跡跟蹤控制方法包括海洋環(huán)境參數(shù)識別和精確航跡跟蹤控 制方法，以下詳細(xì)描述這兩方面內(nèi)容：
[0032] 本發(fā)明中的海洋環(huán)境參數(shù)識別是指計算海流速度值在AUV垂直方向的投影。為了 方便計算