一种基于降阶扩张观测器的欠驱动AUV固定时间容错轨迹跟踪控制方法

本发明涉及自主水下航行器控制，具体领域为一种基于降阶扩张观测器的欠驱动auv固定时间容错轨迹跟踪控制方法。

背景技术：

1、自主水下航行器在海洋资源勘探、环境监测、海底管道巡检等领域应用广泛。其中，控制输入少于系统自由度的欠驱动auv，因结构简单、成本较低而备受关注。然而，其欠驱动特性也为实现高精度轨迹跟踪带来了严峻挑战：首先，系统具有强非线性、多自由度耦合的动力学特性，且模型参数存在不确定性，并持续受到未知海洋环境扰动的影响；其次，欠驱动特性导致其缺乏直接的横向控制力；再者，横荡速度等关键状态量的精确测量通常依赖高成本传感器，难以广泛应用。

2、现有技术方法通常采用基于小角度假设的线性化模型进行侧滑角补偿，难以准确刻画强横荡工况下的非线性动态，导致在模型失配和外部扰动下的跟踪精度与鲁棒性不足。此外，auv在实际长期作业过程中，其执行机构（如推进器、舵面）不可避免地会发生机械磨损、电气老化或外部碰撞，导致执行器效率部分损失甚至完全失效。传统的控制方法在设计时通常假定执行器处于理想工作状态，缺乏对执行器故障的主动补偿机制，一旦发生故障，系统控制性能将急剧下降，甚至失稳，严重影响任务安全。

3、因此，亟需一种能够在横荡速度不可测、存在模型不确定性和外部扰动，以及执行器部分失效故障的条件下，实现高精度、快速收敛、具备主动容错能力的轨迹跟踪控制方法。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于降阶扩张观测器的欠驱动auv固定时间容错轨迹跟踪控制方法。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于降阶扩张观测器的欠驱动auv固定时间容错轨迹跟踪控制方法，包括以下步骤：

3、s1、建立欠驱动自主水下航行器auv的水平面三自由度运动学与动力学模型，并基于载体坐标系定义位置跟踪误差；

4、s2、设计降阶扩张状态观测器，基于可测的位置跟踪误差信息，在线实时估计不可测的横荡速度，并对集总了模型不确定性与外部环境扰动的复合干扰进行估计；

5、s3、设计自适应固定时间制导律，利用所述降阶扩张状态观测器估计的横荡速度，通过引入双幂次收敛项和自适应参数，生成纵荡速度与航向角的期望指令；

6、s4、设计固定时间滑模动力学控制器，针对所述制导律生成的期望指令，分别设计纵荡速度与航向角跟踪误差的固定时间滑模面，并推导出包含扰动补偿项的执行器名义控制律；

7、s5、设计执行器故障诊断与容错补偿模块，用于在线估计纵荡和转艏通道的执行器效率损失因子，并重构控制律，实现固定时间容错轨迹跟踪。

8、s6、将计算得到的控制力与力矩指令输入auv的执行机构，驱动auv跟踪期望轨迹。

9、在其中一些实施例中，步骤s1中，所述水平面三自由度运动学模型为：

10、，

11、其中，()为惯性坐标系下的位置，为航向角，、、分别为载体坐标系下的纵荡速度、横荡速度与转艏角速度，为旋转矩阵；

12、所述动力学模型考虑水动力参数不确定性及外部扰动，表示为：

13、，

14、其中，为包含附加质量的惯性矩阵，为科里奥利和向心力矩阵，为阻尼矩阵，，为控制输入，为集总扰动；

15、所述位置跟踪误差与在载体坐标系下定义为：

16、，

17、其中，()为期望轨迹的位置。

18、在其中一些实施例中，步骤s2中，所述降阶扩张状态观测器的方程为：

19、，

20、其中，为横荡速度的估计值，为观测器增益，p为中间变量，为由期望轨迹微分构造的参考速度，且> 0。

21、在其中一些实施例中，步骤s3中，所述自适应固定时间制导律生成的期望纵荡速度和期望航向角为：

22、，

23、，

24、其中，为参考航向角，，> 0, β1 > 0,, q1 > 1为设计参数，,，> 1为常数；

25、中间变量θ定义为：

26、，

27、其中，ω为自适应补偿项，其自适应律为，> 0为自适应增益；

28、ξ为动态增益调节参数的变量。

29、在其中一些实施例中，步骤s3中，所述制导律通过引入平滑参数确保|θ| ≤1，所述定义为：

30、，

31、其中，, , 为正常数。

32、在其中一些实施例中，步骤s4中，针对纵荡速度跟踪误差和航向角跟踪误差，设计的固定时间滑模面分别为：

33、，

34、，

35、其中， 。

36、在其中一些实施例中，步骤s4中，推导出的执行器名义控制律和为：

37、，

38、

39、其中，和为动力学模型中的标称非线性项，为控制参数，和分别为纵荡和转艏通道的扰动上界，为双曲正切函数，为一个小的正常数。

40、在其中一些实施例中，步骤s5中，所述执行器故障模型为：

41、实际控制输入表示为：

42、

43、其中 ρu, ρr ∈(0, 1]为未知的执行器效率因子，执行器效率因子等于1表示健康状态小于1表示部分失效故障。

44、在其中一些实施例中，步骤s4中，基于降阶扩张状态观测器（步骤s2）的输出，设计故障诊断自适应律在线估计效率损失因子：

45、

46、其中：γu, γr > 0为自适应增益；su, sψ为权利要求6所述的固定时间滑模面；ψu, ψr为中间变量，定义为：

47、。

48、在其中一些实施例中，步骤s5中，重构后的容错控制律为：

49、

50、其中δ > 0为防止除零的小常数；

51、为所述的名义控制律。

52、在其中一些实施例中，所述方法通过所述降阶扩张状态观测器、自适应固定时间制导律、固定时间滑模控制器和执行器故障诊断与容错补偿模块构成级联容错控制架构，使得整个闭环系统在执行器部分失效故障下仍具有固定时间稳定性，即系统状态的收敛时间上界独立于初始状态和故障程度。

53、为实现上述目的，本发明还提供如下技术方案：一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述方法的步骤。

54、为实现上述目的，本发明还提供如下技术方案：一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现所述方法的步骤。

55、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

56、1、实现了高精度与强鲁棒性的跟踪控制：通过降阶扩张观测器在线估计并补偿不可测的横荡速度及集总扰动，结合固定时间滑模控制，有效克服了模型不确定性、参数摄动和未知海洋环境扰动的影响，显著提升了系统在复杂工况下的跟踪精度和抗干扰能力。

57、2、获得了优越的收敛性能：所设计的自适应固定时间制导律与固定时间滑模控制器，确保了整个级联闭环系统具有固定时间稳定性。系统状态能在预先确定、且与初始状态无关的时间上界内快速收敛到平衡点邻域，响应速度快，动态性能好。

58、3、具备主动容错能力，保障长期作业安全：通过设计执行器故障诊断与容错补偿模块，在线估计纵荡和转艏通道的执行器效率损失因子，并重构控制律，使系统在执行器发生部分失效故障时仍能维持稳定的轨迹跟踪性能。容错补偿环节不影响原系统的固定时间收敛特性，且收敛时间上界与故障程度无关，显著提升了auv在长期自主作业中的可靠性和安全性。

59、4、有效降低了系统硬件成本与复杂度：无需依赖昂贵或难以维护的横向速度测量传感器（如多普勒计程仪），仅利用常规的位姿传感器信息即可通过观测器实现等效横向速度的估计，降低了对专用硬件的依赖，提高了工程应用的经济性和可行性。

60、5、增强了系统的工程实用性：制导律中引入的动态增益调节机制，能在大跟踪误差下抑制控制指令幅值，有效避免了执行机构饱和；控制器采用连续平滑函数（如tanh）替代符号函数，减轻了控制颤振，使方法更易于在实际工程中实现与应用。

61、本技术的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本技术的其他特征、目的和优点更加简明易懂，通过本技术的实施例对本技术进行详尽说明和了解。