[發明專利]一種自主水下航行器有限時間路徑跟蹤的級聯控制方法在審

申請號：	202110389916.0	申請日：	2021-04-12
公開（公告）號：	CN113110527A	公開（公告）日：	2021-07-13
發明（設計）人：	梁曉玲;陳子印;張珍睿;楊國濤	申請（專利權）人：	大連海事大學
主分類號：	G05D1/06	分類號：	G05D1/06
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
地址：	116026 遼***	國省代碼：	遼寧;21
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摘要：
搜索關鍵詞：	一種自主水下航行有限時間路徑跟蹤級聯控制方法
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【說明書】：

本發明公開了一種自主水下航行器有限時間路徑跟蹤的級聯控制方法，屬于水下航行器跟蹤控制技術領域，該方法包括以下步驟：建立自主水下航行器的動力學方程和運動學方程；根據自主水下航行器的運動學方程，建立路徑跟蹤誤差動態方程；設計虛擬導向和運動學等價控制器，將路徑跟蹤誤差動態方程轉化成新型級聯系統；分別通過速度誤差子系統和航向誤差子系統進行自主水下航行器的速度及航向的有限控制，利用障礙李雅普諾夫函數及有限時間控制方法鎮定級聯擾動子系統，然后對級聯系統的全局有限時間穩定的充分條件進行驗證，保證閉環信號的全局有限時間穩定。

技術領域

本發明涉及水下航行器跟蹤控制技術領域，尤其涉及一種自主水下航行器有限時間路徑跟蹤的級聯控制方法。

背景技術

近年來，水面船及水下航行器的路徑跟蹤和軌跡跟蹤控制問題，已經成為海洋工程技術與裝備的兩個重要研究方向，受到學者們的廣泛關注。但路徑跟蹤由于不受嚴格的時間約束，且參考路徑可以通過自主路徑規劃生成，更加便于工程應用。

非線性級聯系統是一類重要的非線性系統,很多非線性系統可以通過狀態反饋或控制設計轉化為級聯形式。典型的級聯系統是由兩個獨立子系統及關聯項組成,兩個子系統一個稱為受擾動系統，一個稱為擾動系統,控制輸入只作用于擾動系統,而擾動級聯系統最初應用于輪式移動機器人軌跡跟蹤控制中，分別實現了全局一致漸近穩定和全局指數穩定控制。與移動機器人路徑跟隨最大的不同是水下航行器和水面船的合速度方向與運動方向存在漂角，且控制器設計不僅要依靠運動學，還需要擴展到動力學，由于自身存在時變非線性，耦合的流體力學等特性增加了控制器設計難度。有學者將路徑跟蹤誤差運動學方程轉換為一種新的級聯形式，實現了輸入受限下級聯系統的一致最終有界穩定,但由于受持續激勵條件限制，無法實現直線跟蹤。也有學者將三維運動解耦為水平面和垂直面運動，應用級聯系統實現了全局K指數穩定控制。但是針對直線路徑跟蹤問題進行了研究。相比于常規采用整體構造李雅普諾夫函數進行迭代求解的路徑跟蹤控制方法，級聯系統解耦了控制器的設計過程。

有限時間穩定性的提出對現代非線性控制的發展起到著重要的影響,跟蹤過程的收斂速度反映了控制系統的響應特性,相比于漸近穩定或指數穩定的結果,有限時間穩定具有更大的優勢,由于工程中的控制目標總是要求在有限時間內完成,這使得對有限時間穩定的研究具有重要的工程應用價值，有限時間控制已經在移動機器人、水下航行器、再入飛行器和航天器控制中獲得廣泛應用。

現有研究成果未涉及到水下航行器的路徑跟蹤有限時間級聯控制。

發明內容

根據現有技術存在的問題，本發明公開了一種自主水下航行器有限時間路徑跟蹤的級聯控制方法，其特征在于：包括以下步驟：

根據自主水下航行器的運動學方程，建立路徑跟蹤誤差動態方程；

設計虛擬導向和運動學等價控制器，將路徑跟蹤誤差動態方程轉化成新型級聯系統；

分別通過速度誤差子系統和航向誤差子系統進行自主水下航行器的速度及航向的有限控制，利用障礙李雅普諾夫函數及有限時間控制方法鎮定級聯擾動子系統；

對級聯系統的全局有限時間穩定的充分條件進行驗證，保證閉環信號的全局有限時間穩定。

進一步地，所述級聯系統表達式如下：

所述級聯系統包括級聯名義子系統和擾動子系統；

所述級聯名義子系統定義為：關聯項為g(t,x₁,x₂)；

所述級聯系統的擾動子系統:由z_1,1和z_2,1的動態特性表示為：

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