[发明专利]一种无人水面艇的扰动补偿控制方法

说明书

本发明公开了一种基于误差符号鲁棒积分的无人水面艇扰动补偿控制方法，包括以下步骤：建立无人水面艇系统的动态模型，并考虑该系统具有模型不确定性且受到风浪流外界时变干扰的影响；对系统的动态模型进行等价转换；建立跟踪误差方程和辅助误差方程；基于误差符号鲁棒积分方法设计跟踪控制器。所述方法既能补偿系统的动态模型不确定性，又能补偿外界时变扰动，解决了具有模型不确定性和外界扰动的无人水面艇系统的渐近跟踪控制问题，使无人水面艇在存在模型不确定性和风浪流外界干扰情况下系统的输出仍能渐近跟踪所期望的参考轨迹。

技术领域

本发明涉及无人水面艇的轨迹跟踪控制领域，具体涉及一种基于误差符号鲁棒积分的无人水面艇扰动补偿控制方法。

背景技术

无人水面艇是一种能够在实际海洋环境下安全自主航行，并能够完成各种任务的海面航行器。无人水面艇可以为我们日常生活、生产带来很大的应用空间与便利。海洋资源的开发是最近时期的一个热点话题，人们逐步将获取石油、天然气、矿物质等陆地上已逐渐匮乏的资源的视线投入海洋当中，占据地球表面积70％的海洋是未来人类赖以生存的第二空间，无人水面艇在海洋资源的研究、勘探、开采和运输方面都具有巨大的应用前景。在恶劣海况(如海上大风、巨浪、热带风暴等)的探测研究和预警预报方面，无人水面艇也将发挥其重要作用。此外，在海洋生物多样性的研究、海洋地质环境的勘探与监控、海洋水文的观测以及海洋气象研究等领域，无人水面艇均具有广阔的应用前景。

在不可预测的海洋动态环境里，为了达到高度自主性，无人水面艇需要灵活可靠的操纵性能、准确的控制能力来确保其他无人艇与自身的安全并完成复杂的工作任务。无人水面艇的运动控制技术是实现无人自主航行的关键技术之一。无人水面艇的运动控制问题是一个典型的复杂非线性系统在复杂环境下的控制问题。随着经典控制理论应用的越来越成熟，以应用PID控制方法提出了自动舵的设计，实现了船舰的自动控制，提高了系统的自动化控制程度。然而PID自动舵对外界变化应变能力较差、操舵频繁、幅度大、能耗高，航行跟踪精度较低。在实际海洋环境中，无人水面艇的自动控制系统中的被控对象(无人艇)的数学模型参数是随着风浪流、船速、转舵角、载重、吃水等的变化而变化的，且在不同航速下艇体的吃水和浸湿面积会发生很大变化，其艇体的各种水动力系数也将随航速的变化而变化。因此要建立精确的无人水面艇动力学模型通常极其困难，实际无人水面艇通常存在着系统动态模型不确定性。此外，考虑到海洋环境下无人水面艇在航行中几乎不可避免受到海风、海浪和海流等外界环境的干扰，这些干扰可能会降低无人水面艇的轨迹跟踪精度，严重时可能会导致系统的不稳定，影响无人水面艇的航行安全。因此，解决未知海洋动态环境下无人水面艇的准确跟踪控制问题具有重要的实际价值。

发明内容

本发明的目的是针对无人水面艇在风浪流外界干扰和动态模型不确性情况下高精度跟踪控制设计的难点，提出了一种基于误差符号鲁棒积分(Robust Integral of theSign of the Error，简称RISE)的无人水面艇扰动补偿控制方法，该方法既能补偿系统的动态模型不确定性，又能补偿外界时变扰动，确保无人水面艇的位置误差和偏航角误差均渐近收敛于原点，实现了系统的输出精确地跟踪所期望的参考轨迹。

本发明的目的可以通过如下技术方案实现：

一种基于误差符号鲁棒积分的无人水面艇扰动补偿控制方法，所述方法包括以下步骤：

步骤(1)、建立无人水面艇的动态模型，并考虑该模型具有动态模型不确定性且受到风浪流外界时变干扰的影响；

步骤(2)、通过运动学方程转换，得到以大地为直角坐标系的系统动力学方程；

步骤(3)、建立跟踪误差方程和辅助误差方程，具体设计为：