[發(fā)明專(zhuān)利]一種無(wú)人水面艇的擾動(dòng)補(bǔ)償控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710364373.0
• 申請(qǐng)日: 2017-05-22
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107121928B
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-08-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 戴詩(shī)陸;彭云根;王敏;李烈軍
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 華南理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G05B13/04
• 分類(lèi)號(hào): G05B13/04;G05D1/02
• 代理公司: 廣州市華學(xué)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44245
• 代理人: 李斌

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于誤差符號(hào)魯棒積分的無(wú)人水面艇擾動(dòng)補(bǔ)償控制方法，包括以下步驟：建立無(wú)人水面艇系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型，并考慮該系統(tǒng)具有模型不確定性且受到風(fēng)浪流外界時(shí)變干擾的影響；對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行等價(jià)轉(zhuǎn)換；建立跟蹤誤差方程和輔助誤差方程；基于誤差符號(hào)魯棒積分方法設(shè)計(jì)跟蹤控制器。所述方法既能補(bǔ)償系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型不確定性，又能補(bǔ)償外界時(shí)變擾動(dòng)，解決了具有模型不確定性和外界擾動(dòng)的無(wú)人水面艇系統(tǒng)的漸近跟蹤控制問(wèn)題，使無(wú)人水面艇在存在模型不確定性和風(fēng)浪流外界干擾情況下系統(tǒng)的輸出仍能漸近跟蹤所期望的參考軌跡。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及無(wú)人水面艇的軌跡跟蹤控制領(lǐng)域，具體涉及一種基于誤差符號(hào)魯棒積分的無(wú)人水面艇擾動(dòng)補(bǔ)償控制方法。

背景技術(shù)

無(wú)人水面艇是一種能夠在實(shí)際海洋環(huán)境下安全自主航行，并能夠完成各種任務(wù)的海面航行器。無(wú)人水面艇可以為我們?nèi)粘Ｉ睢⑸a(chǎn)帶來(lái)很大的應(yīng)用空間與便利。海洋資源的開(kāi)發(fā)是最近時(shí)期的一個(gè)熱點(diǎn)話(huà)題，人們逐步將獲取石油、天然氣、礦物質(zhì)等陸地上已逐漸匱乏的資源的視線投入海洋當(dāng)中，占據(jù)地球表面積70％的海洋是未來(lái)人類(lèi)賴(lài)以生存的第二空間，無(wú)人水面艇在海洋資源的研究、勘探、開(kāi)采和運(yùn)輸方面都具有巨大的應(yīng)用前景。在惡劣海況(如海上大風(fēng)、巨浪、熱帶風(fēng)暴等)的探測(cè)研究和預(yù)警預(yù)報(bào)方面，無(wú)人水面艇也將發(fā)揮其重要作用。此外，在海洋生物多樣性的研究、海洋地質(zhì)環(huán)境的勘探與監(jiān)控、海洋水文的觀測(cè)以及海洋氣象研究等領(lǐng)域，無(wú)人水面艇均具有廣闊的應(yīng)用前景。

在不可預(yù)測(cè)的海洋動(dòng)態(tài)環(huán)境里，為了達(dá)到高度自主性，無(wú)人水面艇需要靈活可靠的操縱性能、準(zhǔn)確的控制能力來(lái)確保其他無(wú)人艇與自身的安全并完成復(fù)雜的工作任務(wù)。無(wú)人水面艇的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)無(wú)人自主航行的關(guān)鍵技術(shù)之一。無(wú)人水面艇的運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題是一個(gè)典型的復(fù)雜非線性系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的控制問(wèn)題。隨著經(jīng)典控制理論應(yīng)用的越來(lái)越成熟，以應(yīng)用PID控制方法提出了自動(dòng)舵的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了船艦的自動(dòng)控制，提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化控制程度。然而PID自動(dòng)舵對(duì)外界變化應(yīng)變能力較差、操舵頻繁、幅度大、能耗高，航行跟蹤精度較低。在實(shí)際海洋環(huán)境中，無(wú)人水面艇的自動(dòng)控制系統(tǒng)中的被控對(duì)象(無(wú)人艇)的數(shù)學(xué)模型參數(shù)是隨著風(fēng)浪流、船速、轉(zhuǎn)舵角、載重、吃水等的變化而變化的，且在不同航速下艇體的吃水和浸濕面積會(huì)發(fā)生很大變化，其艇體的各種水動(dòng)力系數(shù)也將隨航速的變化而變化。因此要建立精確的無(wú)人水面艇動(dòng)力學(xué)模型通常極其困難，實(shí)際無(wú)人水面艇通常存在著系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型不確定性。此外，考慮到海洋環(huán)境下無(wú)人水面艇在航行中幾乎不可避免受到海風(fēng)、海浪和海流等外界環(huán)境的干擾，這些干擾可能會(huì)降低無(wú)人水面艇的軌跡跟蹤精度，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定，影響無(wú)人水面艇的航行安全。因此，解決未知海洋動(dòng)態(tài)環(huán)境下無(wú)人水面艇的準(zhǔn)確跟蹤控制問(wèn)題具有重要的實(shí)際價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對(duì)無(wú)人水面艇在風(fēng)浪流外界干擾和動(dòng)態(tài)模型不確性情況下高精度跟蹤控制設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，提出了一種基于誤差符號(hào)魯棒積分(Robust Integral of theSign of the Error，簡(jiǎn)稱(chēng)RISE)的無(wú)人水面艇擾動(dòng)補(bǔ)償控制方法，該方法既能補(bǔ)償系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型不確定性，又能補(bǔ)償外界時(shí)變擾動(dòng)，確保無(wú)人水面艇的位置誤差和偏航角誤差均漸近收斂于原點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的輸出精確地跟蹤所期望的參考軌跡。

本發(fā)明的目的可以通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種基于誤差符號(hào)魯棒積分的無(wú)人水面艇擾動(dòng)補(bǔ)償控制方法，所述方法包括以下步驟：

步驟(1)、建立無(wú)人水面艇的動(dòng)態(tài)模型，并考慮該模型具有動(dòng)態(tài)模型不確定性且受到風(fēng)浪流外界時(shí)變干擾的影響；

步驟(2)、通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程轉(zhuǎn)換，得到以大地為直角坐標(biāo)系的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程；

步驟(3)、建立跟蹤誤差方程和輔助誤差方程，具體設(shè)計(jì)為：