[发明专利]一种基于Hurwitz稳定的欠驱动无人艇滑模镇定控制方法

说明书

本发明公开了一种基于Hurwitz稳定的欠驱动无人艇滑模镇定控制方法，属于无人艇镇定控制技术领域。考虑环境干扰力的影响建立无人艇镇定控制误差方程；通过坐标变换以及控制输入变换对镇定控制误差模型进行解耦；定义新的控制变量进行系统变换，得到便于控制器设计的两个镇定控制误差子系统；分别设计两个子系统的滑模控制器并进行控制输入逆变换得到实际控制力与控制力矩；根据Hurwitz稳定条件设计滑模控制器参数，最终得到无人艇镇定控制的滑模控制律。所设计的控制器通过在控制器中对干扰力进行补偿来增强系统鲁棒性，滑模控制面参数根据Hurwitz稳定条件来确定，保证控制器具有较好的收敛性能。

技术领域

本发明涉及无人艇镇定控制技术领域，具体涉及一种基于Hurwitz稳定的欠驱动无人艇滑模镇定控制方法。

背景技术

水面无人艇是一种可以无人操控的海洋航行器，主要用于巡逻、侦察、搜救、水文地理调查、等军事和非军事用途。由于无人艇可以执行危险和不适于载人船只完成的任务，因此受到了世界各国海军的关注。

常规的水面无人艇横向没有直接控制输入，因此具有欠驱动特性而不满足Brockett引理条件，目前非完整系统的控制方法很难直接用于解决无人艇的镇定控制问题。现有的基于微分同胚变换以及反步法得到的无人艇镇定控制器，由于忽略了环境干扰力因素而具有较大的局限性。滑模变结构控制具有较强的鲁棒性，由于其对输入干扰不敏感，当进行合理设计时能获得良好的指数收敛性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于Hurwitz稳定的欠驱动无人艇滑模镇定控制方法。

为克服无人艇镇定控制中的环境干扰问题以及控制器收敛性能优化问题，提供了一种基于Hurwitz稳定的欠驱动无人艇滑模镇定控制方法。该控制方法充分考虑无人艇镇定控制中的环境干扰因素，并根据Hurwitz稳定条件设计滑模参数得到鲁棒性强、具有指数收敛特性的滑模控制器。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于Hurwitz稳定的欠驱动无人艇滑模镇定控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：建立无人艇镇定控制误差方程，包括建立控制对象的运动学及动力学模型与环境干扰模型，并进行坐标转换得到原始镇定控制误差方程：

上式为无人艇水平面三自由度运动学及动力学方程，其中，m₁₁,m₂₂,m₃₃,d₁₁,d₂₂,d₃₃为水动力系数，η＝[x,y,ψ]^T表示无人艇在大地坐标系下的位置、艏向角，υ＝[u,v,r]^T为无人艇的纵向速度、横向速度及艏向角速度，τ＝[τ_u,0,τ_r]^T表示纵向推力和转艏力矩，τ_d＝[τ_du,0,τ_dr]^T为环境干扰力，且满足|τ_du|＝|τ_du(t)|≤d_u,|τ_dr|＝|τ_dr(t)|≤d_r，上述方程组可写为如下向量形式：

其中，M为质量和惯性矩阵，D为阻尼力矩阵，R(η)为旋转矩阵，C(υ)和科氏力向心力矩阵，则那么即：