一种水下直升机的姿态控制方法

本发明涉及水下机器人的姿态控制方法领域，具体地指一种水下直升机的姿态控制方法。

背景技术：

1、自主水下航行器(autonomous underwater vehicle ,auv)的协同编队在资源勘探和环境监测等各种应用中具有独特优势，因此近年来一直是一个研究热点。一种称为水下直升机(autonomous underwater helicopter ,auh)的新型水下航行器在抵近观测、定点悬停等方面具有突出优势，与水下停机坪的配合使用能进一步地增加其续航能力和探测范围，更加适合水下作业任务。

2、水下直升机的外部工作环境存在水流等复杂干扰因素，姿态控制可以提高水下机器人的机动性和灵活性，使其能够适应不同的水下环境和任务需求。通过控制水下直升机的姿态，可以使其更好地完成特定任务，例如搜寻潜在目标、执行维修工作等。而且可以提高水下机器人的运动效率和能耗管理。通过优化机器人的姿态控制，可以减少机器人在水下移动时的能耗，延长其工作时间和续航能力。如何对该水下直升机的姿态进行更准确的控制是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种水下直升机的姿态控制方法，至少解决的技术问题是：如何提高水下直升机姿态控制的准确性。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种水下直升机的姿态控制方法，所述方法包括：

4、s1：建立三自由度水下直升机控制系统的动力学模型并设定原始跟踪误差，所述动力学模型根据拉格朗日方程建立；

5、s2：设计固定时间滑模面，并根据水下直升机的动力学模型设计固定时间滑模控制器；

6、s3：基于自适应理论设计自适应率用来估计建模误差和干扰力；

7、s4：设计李雅普诺夫函数并通过李雅普诺夫定理证明固定时间滑模控制器具有在固定时间内稳定的能力；

8、s5：利用自适应固定时间滑模控制器对三自由度水下直升机进行姿态控制，在给定的收敛时间范围内跟踪预设参考信号。

9、作为本发明进一步的技术方案，通过加速度计校准陀螺仪输出的3个维度陀螺仪值、3个维度的加速度值、3个维度的磁力计值的原始16位ad值，解算出飞行器当前的姿态，用于固定时间控制中，输出pwm波控制电机旋转，实现水下直升机姿态控制。

10、作为本发明进一步的技术方案，所述加速度计校准陀螺仪通过陀螺仪测得的角速度解算出四元数，推导出机体坐标系下的理论重力加速度，三轴加速度计测量到机体坐标系下实际重力加速度，将理论重力加速度与实际重力加速度进行向量叉积，得出误差补偿给陀螺仪，实现加速度计对陀螺仪的校准。

11、作为本发明进一步的技术方案，所述加速度计校准陀螺仪的型号为mpu9250。

12、作为本发明进一步的技术方案，步骤s1中，所述动力学模型的运动方程表示如下：

13、；

14、其中，是体坐标系中角速度的向量，是地球固定坐标系中的方向向量，定义了地球固定坐标系中的速度与体坐标系中的速度之间的变换矩阵，是惯性矩阵（包括附加质量），是科里奥利和向心力矩阵，是粘性流体动力矩阵，是由重力和浮力产生的力或力矩矢量，是推进器产生的驱动力或扭矩向量，是外部干扰，质量单位为kg，惯性单位为，位置和长度单位为m，方向和角度单位为rad，线速度单位为m/s，角速度单位为rad/s，力单位为n，力矩单位为；

15、水下直升机的表示如下：

16、；

17、其中，cg和cb分别是重心和浮力的缩写；

18、表示为：

19、；

20、其中是每个推进器产生的推力，和分别表示从体坐标原点到垂直推进器和水平推进器的距离。

21、作为本发明进一步的技术方案，在步骤s2中，设计固定时间滑模控制器如下：

22、；

23、简化如下：

24、；

25、设计固定时间滑模面如下：

26、；

27、其中，和是用于调整固定时间滑模控制的自由设计参数；

28、微分处理后得到：

29、；

30、其中，。

31、采用以下控制率：

32、。

33、作为本发明进一步的技术方案，在步骤s3中，是估计的外部扰动量，设计以下自适应率：

34、。

35、作为本发明进一步的技术方案，在步骤s4中，选择李雅普诺夫函数函数作为：，其中，对进行微分，得到：

36、；

37、此外，假设存在一个未知常数和一个紧集，使得，那么：

38、；

39、；

40、其中，，，即可证明固定时间滑模控制器具有在内达到稳定状态的能力；

41、。

42、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

43、1、固定时间滑模控制和自适应控制的结合确实为水下直升机的姿态系统带来了许多优势。固定时间滑模控制的鲁棒性强、快速响应和简单实现使得系统能够在复杂的水下环境中迅速、稳定地做出姿态调整。

44、2、引入自适应控制理论进一步提高了系统的鲁棒性和稳定性。自适应控制可以根据系统的实时反馈信息动态调整控制策略，适应系统参数变化和环境变化，进而改善系统的性能。这样的特性使得水下直升机的姿态系统更加灵活、智能，不仅可以应对各种不确定因素，还能够在不断变化的环境中保持优异的控制效果。

技术特征：

1.一种水下直升机的姿态控制方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的一种水下直升机的姿态控制方法，其特征在于，通过加速度计校准陀螺仪输出的3个维度陀螺仪值、3个维度的加速度值、3个维度的磁力计值的原始16位ad值，解算出飞行器当前的姿态，用于固定时间控制中，输出pwm波控制电机旋转，实现水下直升机姿态控制。

3.根据权利要求2所述的一种水下直升机的姿态控制方法，其特征在于，所述加速度计校准陀螺仪通过陀螺仪测得的角速度解算出四元数，推导出机体坐标系下的理论重力加速度，三轴加速度计测量到机体坐标系下实际重力加速度，将理论重力加速度与实际重力加速度进行向量叉积，得出误差补偿给陀螺仪，实现加速度计对陀螺仪的校准。

4.根据权利要求2所述的一种水下直升机的姿态控制方法，其特征在于，所述加速度计校准陀螺仪的型号为mpu9250。

5.根据权利要求1所述的一种水下直升机的姿态控制方法，其特征在于，在步骤s4中，选择李雅普诺夫函数函数作为：，其中，对进行微分，得到：

技术总结本发明涉及一种水下直升机的姿态控制方法，所述方法包括：建立水下直升机的动力学模型；设计固定时间滑模面，并根据水下直升机的动力学模型设计固定时间滑模控制器；基于自适应理论设计自适应率用来估计建模误差和干扰力；设计李雅普诺夫函数并通过李雅普诺夫定理证明该控制器能够在固定时间内稳定。利用自适应固定时间滑模控制器对三自由度水下直升机进行姿态控制，能够在给定的收敛时间范围内跟踪预设参考信号。该方法使得水下直升机能够实现姿态的稳定控制，并提高姿态控制的准确性和快速性。技术研发人员：黄豪彩,冯仁栋,吴哲远,王章霖,谢心怡,虞冬凌受保护的技术使用者：浙江大学海南研究院技术研发日：技术公布日：2024/9/2