[發(fā)明專利]一種隨機(jī)干擾下的無(wú)人艇跟蹤誤差約束控制方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201911127962.2
• 申請(qǐng)日: 2019-11-18
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN110865539A
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-03-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 戴詩(shī)陸;鄒宇駿;楊辰光
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華南理工大學(xué);佛山紐欣肯智能科技有限公司
• 主分類號(hào): G05B13/04
• 分類號(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)了一種隨機(jī)干擾下的無(wú)人艇跟蹤誤差約束控制方法，本方法針對(duì)在隨機(jī)擾動(dòng)下的無(wú)人艇設(shè)計(jì)控制器，并保證跟蹤誤差最終收斂到零點(diǎn)。本發(fā)明的方法包括步驟：構(gòu)建無(wú)人艇的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型；考慮海洋動(dòng)態(tài)環(huán)境中存在著外界隨機(jī)干擾，將無(wú)人艇動(dòng)力學(xué)模型描述為標(biāo)準(zhǔn)的非線性隨機(jī)模型形式；采用正切障礙李雅普諾夫函數(shù)來(lái)確保跟蹤誤差滿足約束條件，并運(yùn)用后推設(shè)計(jì)法針對(duì)無(wú)人艇的跟蹤誤差系統(tǒng)進(jìn)行虛擬控制器的設(shè)計(jì)；運(yùn)用自適應(yīng)控制技術(shù)解決控制器設(shè)計(jì)中的參數(shù)不確定問(wèn)題；本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)了隨機(jī)干擾環(huán)境下軌跡的精確跟蹤，誤差滿足預(yù)先設(shè)定的邊界條件，控制效果佳。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于無(wú)人艇軌跡跟蹤控制的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種隨機(jī)干擾下的無(wú)人艇跟蹤誤差約束控制方法。

背景技術(shù)

近二十年來(lái)，由于無(wú)人艇在環(huán)境測(cè)量、海洋采樣和海上救助等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，無(wú)人艇的跟蹤控制越來(lái)越受到控制工程界和海洋學(xué)界的關(guān)注。為了有效地完成這些任務(wù)，需要精確地跟蹤期望的運(yùn)動(dòng)軌跡。然而，要實(shí)現(xiàn)精確的軌跡跟蹤控制是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

未知海洋動(dòng)態(tài)中通常存在洋流、海風(fēng)、海浪等外界隨機(jī)擾動(dòng)，這些干擾會(huì)嚴(yán)重影響控制性能，甚至可能導(dǎo)致閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。現(xiàn)有的控制方法大多只針對(duì)確定性系統(tǒng)，不考慮隨機(jī)干擾。鑒于無(wú)人艇經(jīng)常受到風(fēng)、浪和海流的隨機(jī)擾動(dòng)，用非線性隨機(jī)系統(tǒng)描述無(wú)人艇比確定性系統(tǒng)更為準(zhǔn)確。近幾年，控制學(xué)界提出了針對(duì)非線性隨機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制的方法，將基于確定性系統(tǒng)理論的反步法已經(jīng)擴(kuò)展到隨機(jī)系統(tǒng)領(lǐng)域，但由于狀態(tài)耦合等問(wèn)題，該方法不能直接應(yīng)用于無(wú)人艇系統(tǒng)。因此需要對(duì)處于隨機(jī)干擾下的無(wú)人艇進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)。

跟蹤誤差約束也是無(wú)人艇跟蹤控制器設(shè)計(jì)的一個(gè)挑戰(zhàn)。在實(shí)際的無(wú)人艇航行過(guò)程中，如果不對(duì)誤差進(jìn)行約束，無(wú)人艇可能會(huì)碰撞周圍的暗礁或者船只，造成巨大的損失。由此來(lái)看，不約束跟蹤誤差對(duì)于無(wú)人船的控制是非常不安全的。因此需要對(duì)跟蹤誤差進(jìn)行約束。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種隨機(jī)干擾下的無(wú)人艇跟蹤誤差約束控制方法，本發(fā)明采用了自適應(yīng)控制技術(shù)針對(duì)存在隨機(jī)干擾的無(wú)人艇模型設(shè)計(jì)控制器，確保輸出誤差始終處在一個(gè)預(yù)先指定的范圍內(nèi)，誤差滿足預(yù)先指定的邊界，并且能夠使輸出跟蹤誤差在零點(diǎn)附近的一個(gè)小集合的收斂性。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種隨機(jī)干擾下的無(wú)人艇跟蹤誤差約束控制方法，包括下述步驟：

(1)：構(gòu)建無(wú)人艇的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，所述無(wú)人艇的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型為：

其中，η＝[x y ψ]^T表示無(wú)人艇在大地坐標(biāo)系(O_e X_e Y_e)下的位置(x，y)和大地坐標(biāo)系下的航向角ψ；υ＝[u，v，r]^T中的各分量對(duì)應(yīng)于體坐標(biāo)系(o_b x_b y_b)下的前進(jìn)速度u、橫蕩速度v和轉(zhuǎn)向角速度r；旋轉(zhuǎn)矩陣J(ψ)為

(2)：考慮海洋動(dòng)態(tài)環(huán)境中存在著外界隨機(jī)干擾，將無(wú)人艇動(dòng)力學(xué)模型描述為標(biāo)準(zhǔn)的非線性隨機(jī)模型形式，所述標(biāo)準(zhǔn)的非線性隨機(jī)模型為：

dv＝(f(v，q)+Φ(v)θ+τ^*)dt+Φ(v)Δ(t)dω

其中ω表示6維標(biāo)準(zhǔn)維納過(guò)程，在上述這個(gè)非線性隨機(jī)系統(tǒng)中，Φ(v)θ表示波浪、風(fēng)和洋流引起的力和力矩的平均值，而表示其隨機(jī)分量；

(3)：根據(jù)跟蹤誤差，采用正切障礙李雅普諾夫函數(shù)確保距離誤差滿足約束條件，所述跟蹤誤差的具體定義為：

z₁₁＝x-x_d，