[發明專利]一種面向水下探測作業的無人艇路徑跟蹤預設性能控制方法及系統

有效

• 申請號: 202110507951.8
• 申請日: 2021-05-11
• 公開（公告）號: CN113220000B
• 公開（公告）日: 2022-12-02
• 發明（設計）人: 向先波;李錦江;張琴;向鞏;楊少龍
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G05D1/06
• 分類號: G05D1/06
• 代理公司: 廣州中堅知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 44515
• 代理人: 金茜

1.一種面向水下探測作業的無人艇路徑跟蹤預設性能控制方法，其特征是，包括：

首先提出了虛擬點預設性能虛擬速度律；

隨后設計了視系統狀態變化在零點鄰域內外切換的預設性能制導律；

進一步得到了可確保系統誤差變量時刻處于預設約束的期望俯仰角速度；

最終基于模糊監督機制設計了魯棒動力學控制器，實現精準路徑跟蹤控制；利用組合導航系統將無人艇慣導模塊與多普勒計程儀的信息進行融合所推算出姿態角θ，多普勒計程儀所測的速度u、w以及深度計采集的深度信息z，可以如下方式計算虛擬點的預設性能虛擬速度律：

其中，組合導航系統為一種傳感器信息處理單元，e_x為前向跟蹤誤差，e_x,u、e_x,l分別為預設誤差上下限；k₁為待整定控制參數；z_x為轉換后的新前向誤差，λ_x和f_x為轉換后新系統的增益及已知項系數，其計算與θ有關；為深度面合速度，u為前向速度，w為垂向速度；v_e＝v-v_p為無人艇與虛擬點方向跟蹤誤差，v、v_p分別為無人艇與虛擬點的潛伏角；e_z＝z-z_d為垂向跟蹤誤差，z_d為期望深度，κ為參考路徑曲率；基于這一虛擬速度律，虛擬點將以這一速度沿期望的參數化路徑切線方向運動，據此更新其位置；

所提出的一種預設性能切換制導律在零點鄰域內的局部制導律如下：

其中，為時變視線制導角；e_z為垂向跟蹤誤差，e_z,u、e_z,l分別為預設誤差上下限；k₂為待整定參數；z_z為轉換后的新垂向誤差，λ_z為新系統的增益，v_swith為人為設定的切換閾值；所提出的一種預設性能切換制導律在非零點鄰域內的全局制導律如下：

其中，f_z為新系統的已知項。

2.如權利要求1所述的一種面向水下探測作業的無人艇路徑跟蹤預設性能控制方法，其特征在于無人艇的參考俯仰角速度q_d如下：

其中，為無人艇攻角。

3.如權利要求1所述的一種面向水下探測作業的無人艇路徑跟蹤預設性能控制方法，其特征在于，無人艇舵角的計算方法為

其中，g_q為舵角增益，q_e＝q-q_d為俯仰角速度誤差，其中q為俯仰角速度，q_d為期望俯仰角速度，由組合導航系統測量得到；λ_δ為時延系數；f_q為模型函數；k₃為待設定參數；τ_fuz為模糊監督控制器。

4.如權利要求1所述的一種面向水下探測作業的無人艇路徑跟蹤預設性能控制方法,其特征在于控制舵角計算方法中處于切換控制律所造成余項的模糊監督控制器如下：

其中，ξ為模糊高斯基向量，為最優估計模糊權值向量，其自適應律如下：

其中，γ為人為設定參數。

5.一種采用權利要求1-4任一項所述的面向水下探測作業的無人艇路徑跟蹤預設性能控制方法的控制系統，其特征在于，所述系統包括：

傳感信息模塊，包括多普勒計程儀、深度計、慣導模塊，用于實時獲取路徑跟蹤所需的位置、姿態傳感信息；

艇載控制器模塊，利用傳感信息計算控制輸出；

執行機構模塊，包括艉部水平舵、艉部推進器用于執行所計算出的舵角和速度指令，實現路徑跟蹤的同時確保了無人艇的安全性。