[發明專利]一種欠驅動無人艇的滑模-反步雙回路軌跡跟蹤控制方法

在審

• 申請號: 201810085706.0
• 申請日: 2018-01-29
• 公開（公告）號: CN108319138A
• 公開（公告）日: 2018-07-24
• 發明（設計）人: 王元慧;李子宜;丁福光;佟海艷;王成龍
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04;G05D1/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種船舶控制領域的方法，具體涉及一種欠驅動無人艇的滑模?反步雙回路軌跡跟蹤控制方法。首先建立無人艇的艏向、縱蕩、橫蕩的三自由度運動數學模型；再通過集成位姿傳感器測得無人艇當前的位置信息，結合無人艇的實時位置與參考軌跡，計算在船體坐標系下的誤差，然后設計基于反步法的運動學回路軌跡跟蹤控制器，再設計設計基于滑模控制算法法的動力學回路軌跡跟蹤控制器。從而通過滑模?反步雙回路軌跡跟蹤控制器，實現了對水面無人艇的軌跡跟蹤控制，可以使無人艇跟蹤直線軌跡，提高無人艇航行的穩定性和精確性。

技術領域

本發明涉及一種船舶控制領域的方法，具體涉及一種欠驅動無人艇的滑模-反步雙回路軌跡跟蹤控制方法。

背景技術

無人水面艇是一種能夠在廣袤海洋壞境下實現無人操作的水面艦艇，因其不需要人員操作的特性，常被用于執行危險任務。與其他有人艇相比，無人艇表現出機動更靈活、隱蔽性更好、活動區域更廣等一系列優點。但由于無人艇無人操作，且是缺少橫向推進器的欠驅動系統，其在復雜海洋環境中的控制問題尤為重要，而一個好的軌跡跟蹤控制器是無人艇順利執行任務的重要保障。

針對無人水面艇運動模型的高度非線性和不確定性，以及易受外界環境干擾等特點。一般的控制方法難以解決此問題。反步法作為一種傳統的非線性控制方法，其思路簡單，而滑?？刂品椒ň哂休^高的魯棒性，針對非線性系統以及系統不確定性和外界環境干擾都有較好的控制效果。本文提出兩種方法的結合應用于無人水面艇的軌跡跟蹤控制中，以期得到較好的控制效果。

發明內容

本發明的目的在于提供一種欠驅動無人艇的滑模-反步雙回路軌跡跟蹤控制方法。它實現了水面無人艇的軌跡跟蹤控制，可以使無人艇跟蹤直線軌跡，提高無人艇航行的穩定性和精確性。

一種欠驅動無人艇的滑模-反步雙回路軌跡跟蹤控制方法，其特征在于，實現步驟如下：

步驟一：建立無人艇的固定坐標系和船體坐標系，對無人艇的艏向、縱蕩、橫蕩的三自由度運動數學模型；

采用拉格朗日法建立USV六自由度動力學模型如式：

M為3×3的慣性參數矩陣；

C(v)為3×3科里奧利向心力矩陣；

D(v)為3×3的阻尼參數矩陣，代表流體的阻尼；

τ＝[τ₁ τ₂ τ₃]為3×3控制輸入向量是由船舶的三個方向推力，分別為縱向推力、橫向推力和轉艏力矩；

τ_w＝[τ_w1,τ_w2,τ_w3]為3×3的環境干擾向量；

經過化簡，最終得到無人艇在水面運動時的三自由度數學模型：

步驟二：通過集成位姿傳感器測得無人艇當前的位置信息，艏向、縱蕩、橫蕩等位姿信息；對獲取的信息進行濾波處理，時空對準，得到精準的無人艇位置及姿態信息；

步驟三：計算位置誤差，在建立的船舶模型基礎上進行微分同胚變換，得到無人水面艇在船體坐標系下的誤差E_B(t)＝[e_x,e_y]^T，如下：

將上式對時間t進行求導可以得到：

其中，

步驟四：設計基于反步法的運動學回路軌跡跟蹤控制器；假設誤差e_x收斂到σ，σ∈R且無限接近于0，構造Lyapunov函數如下：