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申请/专利权人：中国人民解放军海军工程大学

摘要：本发明属于水下航行器控制方法技术领域，具体涉及一种基于模型的水下航行器抗衡滚三维跟踪控制方法。包括如下步骤，建立水下航行器运动模型、坐标系，定义运动向量、建立运动学模型和动力学模型；基于非线性复合LOS制导律的运动学控制律，建立跟踪位置误差模型、三维LOS制导律、运动学控制律；非线性饱和约束下的艉舵控制分配器，分别建立虚拟速度误差模型、自适应快速终端滑模控制律、动力学控制律；设计基于抗饱和非线性控制分配器，建立优化目标函数，优化求解舵角控制指令；本申请的基于模型的水下航行器抗衡滚三维跟踪控制方法，在不同初始姿态下都产生较好的跟踪效果，能够同时控制水下航行器的横滚、俯仰和偏航姿态。

主权项：1.一种基于模型的水下航行器抗衡滚三维跟踪控制方法，其特征在于，包括如下步骤步骤一、建立水下航行器运动模型分别建立惯性坐标系{I}，随体坐标系{B}，Serret-Frenet坐标系{F}和和速度坐标系{V}；定义水下航行器运动向量，包括：在{I}坐标系下的姿态向量η＝[P,Θ]，其中P＝[x,y,z]为位置向量，Θ＝[φ,θ,ψ]为姿态向量；在{B}坐标系下的线速度v＝[u,v,w]和角速度ω＝[p,q,r]；在{V}坐标系下的合速度向量UV＝[U,0,0]，其中基于刚体的牛顿欧拉公式和拉格朗日公式，建立环形器运动学和动力学模型： 其中，M表示附加质量矩阵，Cν为科里奥利和向心矩阵，Dν为阻尼矩阵，gη为重力和浮力矢量，τ为输入控制力和力矩，d为时变的未知扰动，Jη为η和ν的雅可比旋转矩阵；建立环形器三维空间中的六自由度运动学模型和动力学模型；其中六自由度运动学模型为： 动力学模型为：其中， 其中，miii＝1,2,3,4,5,6为附加质量，X·，Y·，Z·，K·，M·和N·为水动力系数；步骤二、基于非线性复合LOS制导律的运动学控制律为了镇定水下航行器的姿态误差，建立控制器位置误差： 其中旋转矩阵为表示从{F}坐标系到{I}坐标系，绕{I}坐标系的zI轴旋转再绕{I}坐标系的xI轴旋转得到{F}坐标系；求导得式中，Ud＝[Ud,0,0]为期望合速度向量，且设χe和υe为LOS制导律的前视角，则轨迹跟踪的位置误差模型为： 设计正定的李雅普诺夫函数，并对其求导为： 为得到负定的公式，设计三维跟踪制导律如下： 其中，ks＞0，ke＞0和kh＞0是制导律的增益系数，前视距离Δe＞0，Δh＞0；联立后得到： 设水下航行器姿态误差和目标姿态为Θe＝[φe,θe,ψe]和Θe＝Θ-Θd，真实环境中的水动力角为[α,β]，航向角为[υ,χ]，采用坐标系的等价关系转换推导期望的姿态角[φ,θ,ψ]，其中攻角为α＝arctanwu，漂角为则期望姿态角与水动力角和期望航向角的关系为： 其中，为镇定水下航行器姿态误差，设正定李雅普诺夫函数如下：V2＝1-cosφe+1-cosθe+1-cosψe得到基于非线性复合LOS制导律的运动学控制律： 步骤三、非线性饱和约束下的艉舵控制分配器；基于步骤二得到期望的力和力矩，通过舵角对力和力矩进行解算，考虑控制精度、执行器饱和约束、能量消耗的优化求解，建立优化目标函数如下： 其中，ε表示消耗能量和控制精度的权重参数，s为力或力矩控制误差，δmax和δ′max为水下航行器的最大舵角和最大转舵速率；基于优化目标函数进行进行优化求解，得到三维运动参数，完成水下航行器的三维跟踪控制。

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百度查询： 中国人民解放军海军工程大学 一种基于模型的水下航行器抗衡滚三维跟踪控制方法