[發明專利]一種基于單目視覺的水面航行器有限時間連續控制方法

有效

• 申請號: 202010147230.6
• 申請日: 2020-03-05
• 公開（公告）號: CN111338347B
• 公開（公告）日: 2023-08-25
• 發明（設計）人: 王寧;何紅坤;李春艷
• 申請（專利權）人: 大連海事大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 姜威威;李洪福

本發明公開了一種基于單目視覺的水面航行器有限時間連續控制方法，屬于水面航行器視覺控制領域，包括以下步驟：通過單目相機獲取視覺特征點的實際圖像和期望圖像，利用單應性分解技術對水面航行器位姿誤差進行恢復，并構建伺服系統的運動學和動力學模型；利用速度調節誤差設計NITSMC面，以適應非匹配視覺不確定量；設計FOD，對動力學中的匹配擾動進行觀測；引入指數冪次趨近率，設計連續有限時間單目視覺伺服控制器，既保證控制輸入連續，又能實現整個伺服系統的有限時間收斂。該方法解決了具有非匹配不確定量的單目視覺伺服系統控制問題，提高了調節誤差的收斂速度和控制精度，可以有效避免因擾動造成特征點丟失和視覺伺服失敗，特別適用于實際工程需求。

技術領域

本發明涉及水面航行器視覺控制領域，尤其涉及一種基于單目視覺的水面航行器有限時間連續控制方法。

背景技術

單目相機作為便攜、廉價、高效的傳感器，逐漸成為了海洋環境感知與自身狀態估計的有力工具，極大地增強水面航行器的自主性和智能性。

Young-Ho?Kim等人在圖像中定義控制誤差，設計了PID控制器，實現航行器之間的對接；王健等人利用Backstepping思想設計了基于位置的視覺伺服控制器，實現了航行器編隊控制；將軌跡跟蹤和視覺測量相結合，Lefeber等人設計了漸進穩定的軌跡跟蹤控制器；不考慮系統非線性和時變擾動，王寧等人在將Backstepping和單應性分解技術相結合，設計了航行器姿態調節方法。

以上視覺伺服方法的技術特征包括：(1)不考慮系統的未建模動態和時變環境擾動；(2)采用簡單的PID或Backstepping思想設計水面海洋航行器的控制器；(3)僅可實現系統漸近穩定或全局最終一致有界穩定。

在海洋環境中，由于風、浪、流的作用，必然存在外界擾動，并且水面航行器是一個復雜的無人系統，也必然存在未建模動態，不考慮這些因素，設計的控制器所具有的控制精度必然不高。采用簡單的PID或Backstepping思想設計控制器，若初始誤差較大，那么初始控制輸入會很大，有可能造成執行器輸入飽和或損壞。更重要的是，漸近穩定或全局最終一致有界穩定的結果使得誤差收斂速率慢、控制精度低，難以滿足工程實際需求。

傳統的滑模控制方法常引入符號函數來魯棒抑制匹配擾動和促使調節誤差快速收斂。這種方法雖然可以迫使調節誤差有限時間到達滑模面，但難以保證在滑動階段有限時間收斂。終端滑模控制引入非線性滑模面，可以有效地避免該問題，但不幸的是，終端滑模控制器在原點附近時奇異，會造成控制輸入無界。非奇異終端滑模控制雖然可以避免奇異問題，但是當調節誤差遠離平衡點時，非奇異終端滑模控制收斂速率比傳統的滑模控制方法還要低。

值得注意的是，由于引入了符號函數，以上控制方法將產生不連續的控制輸入，造成控制耗能大、切換頻繁，引起未知動態和執行器損壞。在實際工程應用中，常采用雙曲正切或飽和函數替換符號函數，但因此會產生不可預知的邊界層，嚴重影響控制精度。更重要是，以上滑模控制方法難以抑制非匹配的不確定量。因此，在控制器設計時，系統擾動抑制、連續控制輸入和有限時間收斂之間存在著巨大矛盾。

基于單目相機的水面航行器航行控制還具有獨特難題：(1)在水面上，相機外參難以標定，為控制系統帶來了非匹配的視覺不確定量；(2)系統動力模型和外部擾動難以提前獲知；(3)如果系統的未知動態不能夠充分地補償，視覺目標將脫離相機視野，導致伺服失敗，尤其當視覺目標距離相機很近時，對調節誤差變化更為敏感；(4)系統需要連續控制輸入，實現平穩控制。因此，在控制輸入連續的前提下，實現調節誤差的有限時間收斂對單目視覺伺服意義重大。

發明內容

根據現有技術存在的問題，本發明公開了一種基于單目視覺的水面航行器有限時間連續控制方法，包括以下步驟：

S1：通過單目相機獲取視覺特征點的實際圖像和期望圖像，利用單應性分解技術對水面航行器在慣性坐標系下的位姿誤差進行恢復，并以此構建單目視覺伺服系統的運動學和動力學模型；