[发明专利]一种执行器非对称饱和的水面舰船轨迹跟踪控制方法

说明书

本发明涉及一种执行器非对称饱和的水面舰船轨迹跟踪控制方法，步骤一、给定期望跟踪轨迹：给定期望平面位置(x_d,y_d)；给定期望偏航角ψ_d；期望轨迹表示为η_d＝[x_d,y_d,ψ_d]^T；步骤二、轨迹跟踪误差计算：计算实际轨迹与期望轨迹之间的误差z₁＝η‑η_d；步骤三、期望速度计算：计算消除期望轨迹与实际轨迹之间的误差所需的期望速度α；步骤四、神经网络设计：将动力学方程中的不确定项δ利用神经网络δ＝W^*TΦ(θ)+ε近似表达；步骤五、辅助控制系统设计：利用高斯误差函数，设计光滑的非对称饱和执行器的模型；步骤六、模型控制律计算：计算消除期望轨迹与实际轨迹误差所需的控制量τ。该方法能够逼近模型不确定项、抑制外界扰动影响、抗执行机构非对称饱和，跟踪任意期望轨迹，保证系统渐近稳定。

技术领域

本发明提供一种执行器非对称饱和的水面舰船轨迹跟踪控制方法，它为具有非对称饱和非线性特性的执行器的无人水面舰船，提供一种抑制外界扰动影响的跟踪期望轨迹的新控制方法，属于自动控制技术领域。

背景技术

无人水面舰船是一个拥有机器人技术的舰船，它可以对环境改变作出反应，并且在最少的人力干涉下完成任务。且广泛应用于导航、智能监视侦查任务，对测量、科研、搜寻和营救方面的工作都有很大帮助。所以我们需要针对无人水面舰船设计一种具有高性能的轨迹跟踪能力的控制器，从而实现水面舰船准确参考轨迹或虚拟对象。然而在水面舰船实现跟踪控制的过程中，动力学模型本身存在一定的不确定性，存在的执行器饱和问题，或在强大海洋扰动时，都将会导致系统不稳定。此外，在之前的研究中，都将执行器饱和假设为对称的，然而，当水面舰船实施前进轨迹跟踪任务时，其推进器仅输出正的力，或者当执行器有效性部分损失时，都会出现非对称饱和情况。

因此发明“一种执行器非对称饱和的水面舰船轨迹跟踪控制方法”是把以上问题作为切入点，而提出的有针对性、解决执行器非对称饱和问题的水面舰船轨迹跟踪控制理论，可利用神经网络逼近水面舰船模型的不确定项，抑制外界扰动对系统的影响，改善执行机构的饱和问题，保证系统的渐进稳定性，实现模型的有效轨迹跟踪，为水面舰船轨迹跟踪控制工程提供了一种高效可行的设计手段。

发明内容

(1)目的：本发明的目的在于提供一种执行器非对称饱和的水面舰船轨迹跟踪控制方法，控制工程师可以在结合实际参数的同时，按照该方法实现水面舰船抗不确定项、抗扰动、抗执行机构非对称饱和问题的轨迹跟踪控制。

(2)技术方案：本发明一种执行器非对称饱和的水面舰船轨迹跟踪控制方法，其主要内容及步骤是：先由给定的轨迹期望跟踪值进行误差计算；然后根据轨迹运动学方程进行轨迹运动学控制计算得到虚拟控制律；利用神经网络逼近水面舰船模型中的不确定项，设计辅助控制系统解决执行机构饱和问题，随后基于水面舰船动力学方程得到控制量；最终将此控制量用于水面舰船模型。在实际应用当中，水面舰船的轨迹、速度等状态量由传感器测量得到，而由该方法计算得到的控制量将传输至舵机和螺旋桨等执行机构，即可实现水面舰船抗不确定项、抗扰动、抗执行机构非对称饱和问题的轨迹跟踪控制功能。

本发明一种执行器非对称饱和的水面舰船轨迹跟踪控制方法，其具体步骤如下：

步骤一 给定期望跟踪轨迹：给定期望平面位置(x_d,y_d)；给定期望偏航角ψ_d；期望轨迹表示为η_d＝[x_d,y_d,ψ_d]^T。

步骤二 轨迹跟踪误差计算：计算实际轨迹与期望轨迹之间的误差z₁＝η-η_d。

步骤三 期望速度计算：计算消除期望轨迹与实际轨迹之间的误差所需的期望速度α。