基于魯棒約束模型預測控制的uuv對線控位回收方法
【技術領域】
[0001 ]本發明涉及一種水下母船背馱式搭載UUV的自主回收方法。
【背景技術】
[0002] UUV技術目前已經作為探索海洋空間資源的最重要手段之一，UUV雖然具有隱蔽 性、深潛性能、安全性等優點，但是由于UUV受到自身攜帶的能源限制，使其工作范圍和時間 受到嚴格的限制，因此要通過UUV水下回收實現在水下完成能源補給和上傳下載數據，這可 以大大提高UUV的工作范圍和時間。
[0003] 由于魯棒約束模型預測控制方法能夠有效的處理較復雜的狀態約束和控制約束 以及對參數不確定性系統有非常好的控制性能，因此本發明采用基于魯棒約束模型預測控 制算法的精確對線控位方法對UUV進行水下回收。
[0004] 哈爾濱工程大學的張偉等人在《船舶工程》（2013年第05期)上發表了《基于對線控 位策略的UUV回收運動控制研究》，該文章對于水下塢艙回收UUV的過程提出了一種基于對 線控位策略的回收方法，并設計UUV回收的位置和姿態的灰色預測PID控制器，減小了 UUV回 收控制中的超調量和調整時間，但是該方法針對的是水下靜止平臺，而非移動平臺，存在一 定的局限性。
【發明內容】
[0005] 本發明是為了解決現有水下回收UUV的方法主要是針對靜止的回收平臺對UUV進 行回收的問題以及回收過程中由于超調過大、調節時間過長等不穩定因素會使得UUV與回 收平臺發生碰撞的問題。
[0006] 基于魯棒約束模型預測控制的UUV對線控位回收方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟1、通過對線控位方法得到UUV與母船的位置偏差值Λχ，Ay，Λζ、航向偏差值 ΛΦ和縱傾角偏差值Λθ;并將Λχ，Ay，Λζ，ΛΦ，Λθ作為初始化值；
[0008] 步驟2、獲取當前時刻UUV狀態：
[0009] 通過UUV自身的一系列傳感器等得到當前時刻狀態:u、ν、w分別為縱向、橫向和垂 向速度(m/s)，p、q、r分別為橫搖角、縱搖角、艏搖角速度(rad/s)，ξ、η、ζ分別為UUV相對于固 定坐標系的位置(πι)，％θ、φ為橫搖角、縱搖角、艏搖角( rad);
[0010] 步驟3、構建誤差預測模型，并計算局部時刻預測誤差動態方程的系統矩陣 局部時刻狀態預測誤差元
[0011] 利用UUV六自由度動力學方程和運動學方程構造動態方程：
[0012] i(，).二 /(λ.(，), r(,，)，w⑴）
[0013] y(t)=h(x(t) ,τ(?))
[0014] 式中，x(t)是UUV狀態向量，y(t)是輸出向量，τ(〇是UUV控制輸入向量，co(t)是干 擾向量;為x(t)的一階導數;t表示時間；
[0015] x(t) = [u(t) v(t) w(t) p(t) q(t) r(t)]T
[0016] n{t) C(〇 φ{() θ{?
[0017] T ( t) = [Xprop ( t) Yprop(t) Zprop(t) Kprop(t) Mprop(t) Nprop(t)]
[0018] 其中，Xprcip，Yprcip，Zprot^UUV受到的縱向、橫向、垂向的作用力，K prcip，Mprcip，Npr。!^ UUV受到的縱向、橫向、垂向作用力的力矩;u(t)、v(t)、w(t)、p(t)、q(t)、r(t)、C(t)、n(t)、G (t)、0(?)、.9(t)、iKt)、X prQp(t)、YprQp(t)、ZprQp(t)、KprQp(t)、M prQp(t)、NprQp(t)均表示對應參 數為時間t的函數；
[0019] 定義UUV期望狀態
[0020] xd(t) = [ud(t) vd(t) wd(t) pa(t) qa(t) ra(t)]T
[0021] ν,(〇=[^(0 %(0 (0 φ,,{? ^ (0 ψλ (0]γ
[0022] 其中，所有帶角標d的參數均表示對應參數的期望值；
[0023] 則實際和期望之間誤差表示為
[0029] 建立誤差動態方程
[0030] ,ν, (/) = A (/).v. (/) + /i, (/)〇.){ l j -l· B, (/) r (/)
[0031] ye(t) = C(t)xe(t)+D(t)x(t) (1)
[0032] 式中，△(〇、81(〇、82(〇、以〇、0(〇均為系數矩陣；
[0033]方程(1)的系統矩陣為：
[0036] 在局部時刻[tk，tk+1)的預測誤差動態方程為：
[0037] t (〇 = A-K (〇 + Bu,^(0 + Byj(〇
[0038] 兌（?）= (? (/) + D, r(/) (2)
[0039] 式中，所有帶角標k參數的均表示局部時刻的對應參數，:^.(/)、；Γ:, (/)表示xjthye (t)局部時刻的預測值；
[0040] 方程(2)的系統矩陣
[0042] 由于預測模型采用了線性化誤差系統模型近似描述非線性系統的局部特征，因此 在每個采樣時刻需要更新系統矩陣Ω k，獲得新的預測模型完成預測過程；
[0043]
，在約束條件下進行滾動優化，求解 優化問題，求可行解（Tk，Qk，Yk);
[0044] 步驟5、針對優化問題有可行解（丫15，(^，￥1〇，根據下式計算控制輸入向量1(〇，
[0045] Kk :YkQ-kl
[0046] r(/) = X, (/), V/ e [/,,,,:), A > 0
[0047] 將控制輸入向量作用于方程(2)的系統，然后令k = k+l，返回步驟2更新預測模型、 重復滾動優化過程，直至實現UUV對線控位回收。
[0048]本發明具有以下效果：
[0049] 本發明采用的魯棒約束模型預測控制方法不僅能夠針對靜止回收平臺對UUV進行 回收，還能針對低速運動的回收平臺對UUV進行回收，通過魯棒約束模型預測控制，使得回 收過程中超調量大大減小，調節時間加快，使得UUV能夠更加穩定、安全的進行回收。
【附圖說明】
[0050] 圖1為母船運動狀態下與UUV的相對初始位置示意圖；
[0051 ] 圖2為UUV對接示意圖；
[0052]圖3為魯棒約束模型預測控制結構框圖；
[0053]圖4為魯棒模型預測控制實現流程；
[0054]圖5為仿真實驗中UUV與母船的位置誤差曲線圖。
【具體實施方式】
[0055]【具體實施方式】一：
[0056]基于魯棒約束模型預測控制的UUV對線控位回收方法，包括以下步驟：
[0057]步驟1、通過對線控位方法得到UUV與母船的位置偏差值Λχ，Ay，Λζ、航向偏差值 ΛΦ和縱傾角偏差值Λθ;并將Λχ，Ay，Λζ，ΛΦ，Λθ作為初始化值；
[0058] 步驟2、獲取當前時刻UUV狀態：
[0059]通過UUV自身的一系列傳感器等得到當前時刻狀態:u、ν、w分別為縱向、橫向和垂 向速度(m/s)，p、q、r分別為橫搖角、縱搖角、艏搖角速度(rad/s)，ξ、η、ζ分別為UUV相對于固 定坐標系的位置(m)，Ρ、θ、φ為橫搖角、縱搖角、艏搖角(rad);
[0060]步驟3、構建誤差預測模型，并計算局部時刻預測誤差動態方程的系統矩陣 局部時刻狀態預測誤差t
[0061 ] 利用UUV六自由度動力學方程和運動學方程構造動態方程：
[0062] f(/) = /(.'-(')，r(r)，iy(/))
[0063] y(t)=h(x(t) ,τ(?))
[0064] 式中，x(t)是UUV狀態向量，y(t)是輸出向量，τ(〇是UUV控制輸入向量，co(t)是干 擾向量Μ (/)為X (t)的一階導數;t表示時間；
[0065] x(t) = [u(t) v(t) w(t) p(t) q(t) r(t)]T
[0066] v(r) = [^(r) η{? C[t) φ{?) θ{?) ^(r)]r
[0067] T ( t) = [Xprop ( t) Yprop(t) Zprop(t) Kprop(t) Mprop(t) Nprop(t)]
[0068] 其中，Xpr〇P，Ypr〇P，ZprciI^UUV受到的縱向、橫向、垂向的作用力，K pr〇P，M