一种DVL测速失效时的UUV反步滑模动力定位控制方法

摘要

一种DVL测速失效时的UUV反步滑模动力定位控制方法，涉及一种UUV动力定位控制方法。为了解决在UUV反步滑模动力定位控制中测速传感器DVL测量失效的问题。包括：在DVL测速失效时，测量UUV北向、东向位置和艏向角，速度估计器在线估计出北向、东向速度和艏向角。根据北向、东向、艏向角测量值与期望值的误差和估计的北向、东向速度、艏向角，构造使UUV渐进稳定的反步滑模控制律，解算出UUV在纵荡、横荡和艏摇三个自由度上的控制向量。控制向量经过推力分配，得到UUV主推进器、水平辅助推进器的推力，从而使UUV达到期望的北向、东向位置和艏向角，实现在DVL测速失效时UUV在水平面内的反步滑模动力定位控制。

主权项

一种DVL测速失效时的UUV反步滑模动力定位控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤1：UUV在水面进行纵荡、横荡和艏摇的三自由度反步滑模动力定位控制，获得期望向量η_d＝[x_d y_d ψ_d]^T，x_d、y_d和ψ_d分别表示UUV在大地坐标下的北向位置、东向位置和艏向角的期望值；步骤2：对UUV的经纬度和艏向角进行采集，同时采用速度传感器DVL对UUV进行速度采集，确定向量η＝[x y ψ]^T，x、y和ψ分别表示采集的UUV在大地坐标下的北向位置、东向位置和艏向角的值；步骤3：故障检测模块实时检测，当检测到速度传感器DVL测速无效时，产生触发信息启动速度估计器对UUV的速度信息进行估计，速度估计器是以UUV的水平面三自由度动力学模型为基础，以采集的北向位置x、东向位置y和艏向角ψ作为速度估计器的输入，并且引入了北向位置、东向位置和艏向角估计误差的滑模面函数以消除速度估计器模型的不确定性：$\stackrel{·}{\hat{\eta }}=J\hat{v}+L_{1}sat(s_1/{\phi }_1)---\left(1\right)$$\stackrel{·}{\hat{v}}=M^{-1}(-C\hat{v}-D\hat{v}-{\hat{\tau }}_d+\tau +L_{2}sat(s_1/{\phi }_1\left)\right)---\left(2\right)$${\stackrel{·}{\hat{\tau }}}_d=-T^{-1}{\hat{\tau }}_d+L_{3}sat(s_1/{\phi }_1)---\left(3\right)$其中，为UUV在大地坐标系下的北向位置、东向位置和艏向角的估计向量，J∈R^3×3是大地坐标系与UUV坐标系之间的变换矩阵，为UUV坐标下的北向速度、东向速度和艏向角速度估计向量，sat(*)为饱和函数，为速度估计器的滑模面函数，φ₁为边界层厚度；M∈R^3×3为UUV的惯性质量矩阵；C∈R^3×3为UUV离心力和哥式力矩阵；D∈R^3×3为粘性矩阵，为外界环境的扰动估计向量，τ∈R^3×1为控制力向量；L₁、L₂、L₃∈R^3×3为速度估计器增益对角矩阵；饱和函数sat(*)具体形式如下：$sat\left(s_1\right)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{sgn}(s_{1i}/{\phi }_1)& |s_{1i}/{\phi }_1|>1\\ s_{1i}/{\phi }_1& |s_{1i}/{\phi }_1|\le 1\end{array}\right.---\left(7\right)$其中，φ₁为正常数，表示边界层的厚度，i＝1,2,3；步骤4：根据期望向量η_d与向量获得偏差向量反步滑膜动力定位控制器再根据向量和偏差向量η_e，获得控制力向量τ；步骤5：根据获得的控制力向量τ进行推力分配，使UUV的主推进器和水平辅助推进器在分配得到的推力下工作，从而使UUV北向位置、东向位置和艏向角达到期望值。