一种基于滑模变结构的潜器运动控制方法

1.本发明涉及水下救捞领域，具体为一种基于滑模变结构的潜器运动控制方法。


背景技术：

2.随着计算机仿真、自动控制、人工智能、深度学习、水下作业工具等技术的不断发展，水下潜器技术也取得了重大突破。水下潜器在蛙人、潜水员和其它水下作业装备不易到达的区域发挥了重要作用，已广泛应用于海底管线检测与维修、水下光缆维护、堤坝检测和海底资源探测等方面。
3.由于水下潜器属于强耦合强非线性系统，很难建立精确的数学模型，因此需具有良好的控制性能以确保完成作业任务。现有技术在实际使用过程中，水下潜器由于需考虑不同作业任务搭载不同作业装备和不同传感器，因此其控制方法需具有一定的自适应能力，现有方案的控制结构较为复杂，参数调节数量多，难以在常规工程中进行普及和应用。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种基于滑模变结构的潜器运动控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题，本发明控制结构简单、需要调节的控制参数较少、控制精度高且适用于工程应用，能够实现对潜艇救援时进行深度、姿态的高精度控制。
5.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种基于滑模变结构的潜器运动控制方法，该运动控制方法如构建式(1)所示：
[0006][0007]
其中：f
t
为运动控制方法的控制输出矩阵，为估计的质量矩阵，为目标速度向量的微分项，k1和k2为正态有界对角增益矩阵，k3为正态有界对角矩阵，tanh()为正切函数，exp()为指数函数，为一种改进型的sigmoid函数，se为类似于滑模变结构控制的滑模面，为包含力和力矩的估计静态载荷向量，体现了单次任务状态变化的自定义和自适应。
[0008]
进一步的，所述式(1)中，定义e和se如式(2)所示：
[0009][0010]
其中，表示大地坐标系下的姿态角和位置矩阵，为ξ的估计偏差矩阵。
[0011]
进一步的，为确保所提控制方法的稳定性，构建式(3)所示的李雅普诺夫函数：
[0012][0013]
进一步的，对式(3)的v
l
进行微分，可得式(4)：
[0014][0015]
经推导，证明式(4)＜0，即所提控制方法满足李雅普诺夫稳定性条件。
[0016]
进一步的，针对式(2)中的se，可定义式(5)所示偏差的控制参数矩阵k1、偏差变化率的控制参数矩阵k2：
[0017][0018]
进一步的，式(1)最终可转换成式(6)
[0019][0020]
进一步的，所述式(6)中，其中f
ti
,v
ti
,ei,s
ei
为对应向量的第i个分量，k
1i
,k
2i
,k
3i
,k
4i
为对应矩阵第i行和第i列的元素。
[0021]
进一步的，控制解算以后，需进行推力分配，采用艏向优先的推力分配策略。
[0022]
本发明的有益效果：
[0023]
1.该基于滑模变结构的潜器运动控制方法采用改进型的sigmoid函数代替常规sigmoid型函数进一步提高了控制响应，采用正切函数tanh()代替符号函数sign()改善了抖振现象，考虑了艇体压缩对静态载荷的影响，可根据单次任务状态进行自定义和自适应，提高了潜器运动控制精度。
[0024]
2.该基于滑模变结构的潜器运动控制方法的控制结构简单、需要调节的控制参数较少、控制精度高且适用于工程应用，能够实现对潜艇救援时进行深度、姿态的高精度控制。
附图说明
[0025]
图1为本发明一种基于滑模变结构的潜器运动控制方法的自动控制原理图；
[0026]
图2为本发明自动控制流程图；
[0027]
图3为本发明水下潜器示意图；
[0028]
图4为本发明硬件体系架构图；
[0029]
图5为本发明软件信息流图；
[0030]
图6为本发明数字仿真平台示意图；
[0031]
图7为本发明运动控制数字仿真曲线图。
具体实施方式
[0032]
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
[0033]
请参阅图1至图7，本发明提供一种技术方案：一种基于滑模变结构的潜器运动控制方法，构建式(1)所示的运动控制方法，f
t
为运动控制方法的控制输出矩阵，为估计的
质量矩阵，为目标速度向量的微分项，k1和k2为正态有界对角增益矩阵，k3为正态有界对角矩阵，tanh()为正切函数，exp()为指数函数，为一种改进型的sigmoid函数，se为类似于滑模变结构控制的滑模面，为包含力和力矩的估计静态载荷向量，体现了单次任务状态变化的自定义和自适应。
[0034][0035]
在式(1)中，定义e和se如式(2)所示
[0036][0037]
其中，表示大地坐标系下的姿态角和位置矩阵，为ξ的估计偏差矩阵。
[0038]
为确保所提控制方法的稳定性，构建式(3)所示的李雅普诺夫函数：
[0039][0040]
对式(3)的v
l
进行微分，可得式(4)
[0041][0042]
经推导，证明式(4)＜0，即所提控制方法满足李雅普诺夫稳定性条件。
[0043]
针对式(2)中的se，可定义式(5)所示偏差的控制参数矩阵k1、偏差变化率的控制参数矩阵k2。
[0044][0045]
式(1)最终可转换成式(6)
[0046][0047]
其中f
ti
,v
ti
，ei,s
ei
为对应向量的第i个分量，k
1i
,k
2i
,k
3i
,k
4i
为对应矩阵第i行和第i列的元素。
[0048]
控制解算以后，需进行推力分配，采用艏向优先的推力分配策略。
[0049]
本实施例，图3所示为水下潜器示意图。该水下潜器可用于实现潜艇静止/运动救援时的精确运动控制，该水下潜器配备的传感器包括光纤陀螺仪、深度计、多普勒测速仪、声光传感器等，配备的执行器为6个推进器，包括左主推
①
和右主推
②
、首垂推
③
和尾垂推
④
，上主推
⑤
和下主推
⑥
。该水下潜器可根据作业任务的不同搭载不同作业设备。
[0050]
图4为硬件体系架构图。该水下潜器包含了智能规划系统、导航系统、运动控制系统等，所有系统通过pc/104总线进行信息通讯。智能规划系统用于解算和分发目标指令。导
航系统与gps、惯性导航设备相连，用于提供高精度的导航数据。运动控制系统用于采集传感器数据并进行解码、控制算法解算并向推进器发送推力指令。光纤陀螺仪用于测量艏向角和纵横倾角信息，深度计用于测量深度信息，多普勒测速仪用于测量相对水流的速度信息，声光传感器用于探测与识别。
[0051]
图5为软件信息流图。从上往下的流程为：目标生成与处理模块接收目标指令并根据任务对指令进行分类。在控制指令模块，首先初始化控制目标，包括选择运动控制模式、运动控制的类型和参数。上述信息随后发送给运动控制算法模块，不同传感器采集、预处理、滤波和融合的数据也发送给运动控制算法模块。运动控制模块是最核心的部分。在自动控制模式下，通过控制算法解算目标并发送给推进器，推进器的运动使得水下潜器按预期的目标运动。与此同时，通过监测模块来获得应急处理系统、声视觉系统、光视觉系统和推进器的信息并进行存储。
[0052]
图4为自动控制原理图。理论上可实现水下潜器六自由度运动控制。在进行深度控制时，设定值为目标深度值，测量值为深度传感器测量的实际深度值，偏差为目标深度与实际深度之差，控制器为深度控制器，控制信号为通过滑模控制方法解算得到的对应推进器应发出的推力电压信号，执行器为首垂推
③
和尾垂推
④
，上主推
⑤
和下主推
⑥
，被控介质为推进器的推力，外界扰动是指增加的海流干扰，被控参数为深度，传感器为深度计。在进行艏向角控制时，设定值为目标艏向角，测量值为光纤陀螺仪测量的实际艏向角，偏差为目标艏向角与实际艏向角之差，控制器为艏向控制器，控制信号为通过滑模控制方法解算得到的对应推进器应发出的推力电压信号，执行器为左主推
①
和右主推
②
、上主推
⑤
和下主推
⑥
，被控介质为推进器的推力，外界扰动为增加的海流干扰，被控参数为艏向角，传感器为光纤陀螺仪。
[0053]
图1为自动控制流程图。在进行自动控制时，先设定目标值，随后对控制器的控制参数进行初始化，随后进行控制器的解算，得到各个自由度应该提供的推力(力矩)，紧接着按照“艏向优先”的策略开展推力分配，得到各个推进器应发出的推力，并以模拟量电压的形式将推力指令发送给对应推进器，推进器转动带动水下潜器运动，传感器的数据随之更新，并根据当前值与目标值比对来确定是否需要继续开展闭环控制。
[0054]
下面以某水下潜器为实施例进行仿真实验验证，潜器总长约5m、最大直径约0.5m、重约2.2t。该水下潜器配备了6个推进器，包括左主推
①
和右主推
②
、首垂推
③
和尾垂推
④
，上主推
⑤
和下主推
⑥
。
[0055]
控制参数选择为k1＝diag(0.7,1.2,2.2,1.2,1.4,0.5)，k2＝diag(0.35,0.6,1.1,0.6,0.7,0.25)，k3＝diag(1.1,1.6,2.2,1.6,1.1,0.6)，k4＝diag(110,110,160,110,110,400)。考虑不同作业任务搭载的传感器和作业设备有所不同，通过控制项对单次任务的状态变化进行自定义和自适应，在实施例中，按式(1)进行选择。
[0056]
在推力分配前，假定左主推、右主推所产生的推力为f1、f2，它们对艇体中心的力臂为l1、l2，夹角为χ，首尾垂推所产生的推力分别为f3、f4，它们对艇体中心的力臂分别为l3、l4，上、下主推所产生的推力为f5、f6，它们对艇体中心的力臂为l5、l6，夹角为γ，则推力分配公式如式(7)所示：
[0057][0058]
搭建数字仿真平台(示意图如图6所示)。设定水下潜器初始静止于水面，存在海流，海流流速0.3m/s，流向45
°
，本实施例中的水下潜器艏向角和深度控制曲线如图7所示。本实施例中应用了所述的一种基于滑模变结构的潜器运动控制方法，结果表明实现了艏向角和深度的自动控制，所提控制方法艏向角控制和深度控制基本无超调和振荡，艏向角稳态偏差小于0.1
°
，深度稳态偏差小于0.02m。
[0059]
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0060]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

技术特征：
1.一种基于滑模变结构的潜器运动控制方法，其特征在于，该运动控制方法如构建式(1)所示：其中：f
t
为运动控制方法的控制输出矩阵，为估计的质量矩阵，为目标速度向量的微分项，k1和k2为正态有界对角增益矩阵，k3为正态有界对角矩阵，tanh()为正切函数，exp()为指数函数，为一种改进型的sigmoid函数，s
e
为类似于滑模变结构控制的滑模面，为包含力和力矩的估计静态载荷向量，体现了单次任务状态变化的自定义和自适应。2.根据权利要求1所述的一种基于滑模变结构的潜器运动控制方法，其特征在于：所述式(1)中，定义e和s
e
如式(2)所示：其中，表示大地坐标系下的姿态角和位置矩阵，为ξ的估计偏差矩阵。3.根据权利要求2所述的一种基于滑模变结构的潜器运动控制方法，其特征在于：为确保所提控制方法的稳定性，构建式(3)所示的李雅普诺夫函数：4.根据权利要求3所述的一种基于滑模变结构的潜器运动控制方法，其特征在于：对式(3)的v
l
进行微分，可得式(4)：经推导，证明式(4)＜0，即所提控制方法满足李雅普诺夫稳定性条件。5.根据权利要求2所述的一种基于滑模变结构的潜器运动控制方法，其特征在于：针对式(2)中的s
e
，可定义式(5)所示偏差的控制参数矩阵k1、偏差变化率的控制参数矩阵k2：6.根据权利要求5所述的一种基于滑模变结构的潜器运动控制方法，其特征在于：式(1)最终可转换成式(6)7.根据权利要求6所述的一种基于滑模变结构的潜器运动控制方法，其特征在于：所述式(6)中，其中为对应向量的第i个分量，k
1i
,k
2i
,k
3i
,k
4i
为对应
矩阵第i行和第i列的元素。8.根据权利要求7所述的一种基于滑模变结构的潜器运动控制方法，其特征在于：控制解算以后，需进行推力分配，采用艏向优先的推力分配策略。

技术总结
本发明提供一种基于滑模变结构的潜器运动控制方法，该运动控制方法采用滑模变结构作为控制律，采用改进型的sigmoid函数代替常规sigmoid型函数提高了控制响应，采用正切函数tanh()代替符号函数sign()改善了抖振现象，对单次任务的状态变化通过控制项进行自定义和自适应，无需人工干预，在即使有海流干扰下，也能实现高精度的运动控制。本发明可应用于对控制精度要求较高的静态/动态潜艇救援时的潜器运动控制，艏向控制精度可达0.1


技术研发人员：姜春萌 张宏瑞 唐依明 吕金华 邓颖 田田
受保护的技术使用者：武汉船舶职业技术学院
技术研发日：2023.08.15
技术公布日：2023/10/15