[發(fā)明專利]一種水面無人艇軌跡跟蹤控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202210189745.1
• 申請日: 2022-02-28
• 公開（公告）號: CN114442640B
• 公開（公告）日: 2022-09-16
• 發(fā)明（設計）人: 孫明曉;原張杰;欒添添;甄立強;譚政綱;吳凱;王瀟;王楠
• 申請（專利權）人: 哈爾濱理工大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種水面無人艇軌跡跟蹤控制方法，其特征是：

S1：

建立考慮洋流變化的帶擾動水面無人艇三自由度的運動學和動力學方程；

S2：

構建狀態(tài)誤差端口受控哈密頓控制器；

S3：

搭建擾動觀測器和洋流自適應估計律；

S4：

根據(jù)擾動觀測器和洋流自適應估計律以及狀態(tài)誤差端口受控哈密頓控制器設計軌跡跟蹤控制律；

S5：

設計李雅普諾夫函數(shù)，證明控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性；

S6：

對三自由度的水面無人艇進行仿真驗證，驗證算法的有效性；

所述S1中，建立考慮洋流變化的帶擾動水面無人艇三自由度的運動學和動力學方程具體為：

其中，式(1)中，η＝[η_x,η_y,η_ψ]^T為地球慣性坐標系下水面無人艇位置向量，η_x為橫向位置坐標，η_y為縱向位置坐標，η_ψ為航向角，υ＝[u,v,r]^T為船體固定坐標系下水面無人艇速度向量，u為橫向線速度，v為縱向線速度，r為角速度，υ_r＝[u_r,v_r,0]^T為洋流速度向量，u_r為洋流橫向線速度，v_r為洋流縱向線速度，R(η)為地球慣性坐標系與船體固定坐標系間的旋轉矩陣，具體為：

式(2)中，τ為控制律，τ_b為擾動輸入向量，M,C(υ),D(υ)分別為水面無人艇質量矩陣、科里奧利向心力矩陣以及阻尼矩陣；

所述S2中，端口受控哈密頓模型為：

其中，x為狀態(tài)向量，y為輸出向量，J_o為斜對稱矩陣，有D_o(x)為耗散矩陣，有H為哈密頓函數(shù)，G_o(x)為變換矩陣；

重新定義狀態(tài)向量x，將水面無人艇運動學(1)和動力學(2)轉化為端口受控哈密頓模型：

在不考慮洋流變化和干擾的情況下重寫為如下：

其中，R(x)對應公式(1)中的旋轉矩陣R(η)，R^T(x)為R(x)的轉置，I₃為3階單位矩陣，和如下：

將狀態(tài)跟蹤誤差定義為：

其中，為水面無人艇期望參考時變軌跡，為期望速度，可通過如下公式計算得到：

其中，為的導數(shù)，為二階導數(shù)，為的導數(shù)；

進一步得到狀態(tài)誤差端口受控哈密頓模型，如下：

其中，為狀態(tài)跟蹤誤差的一階導數(shù)，為狀態(tài)跟蹤誤差的一階導數(shù)，為期望耗散矩陣，H_d(x)為期望的哈密頓函數(shù)，表示為如下：

其中，K為參數(shù)矩陣，進而得到狀態(tài)誤差端口受控哈密頓控制器τ_s如下：

所述S3擾動觀測器為

其中，為擾動觀測器輸出，ε為中間輔助向量，為ε的一階導數(shù)，K₁為參數(shù)矩陣，K₀為對稱正定的增益矩陣；

所述S3洋流自適應估計律設計如下：

其中，為η_x,η_y估計值的一階導數(shù)，和是估計誤差，l₁,l₂為正常數(shù)，分別為u_r,v_r的估計值，更新如下所示：

其中，λ_x,λ_y,k_x,k_y為正常數(shù)，為過濾權重估計，如下：

其中，是的一階導數(shù)，是的一階導數(shù)，λ_rx和λ_ry為常數(shù)；

所述S4中，根據(jù)洋流自適應估計律得到的對式(8)進行變換，如下：

其中，為洋流速度估計向量，為洋流橫向速度估計值，為洋流縱向速度估計值，是的一階導數(shù)，根據(jù)擾動觀測器輸出進一步設計控制律τ，如下：

。