[发明专利]考虑输入饱和的水面无人艇全状态约束轨迹跟踪控制方法

说明书

考虑输入饱和的水面无人艇全状态约束轨迹跟踪控制方法，涉及一种水面无人艇的控制方法。为了解决现有的针对水面无人艇轨迹跟踪控制的控制方法存在未对状态约束和饱和性问题进行处理的问题。本发明首先建立3自由度、多输入多输出的水面无人艇的动力学模型；然后建立饱和性闭环系统，选用自适应方法对未知干扰上界和控制输入差值上界的平方进行估计；根据自适应方法对未知干扰和控制输入设计自适应律，并根据伪逆条件设计控制器，从而对水面无人艇进行控制。本发明适用于水面无人艇的控制。

技术领域

本发明涉及轨迹跟踪控制领域，具体涉及一种水面无人艇的控制方法。

背景技术

当今对海洋的开发日益受到重视，水面无人艇作为一款可行性高、用途广泛的无人载具，可执行海洋环境的监测和资源的开发等多种任务，因此其具有极高的研究价值。目前对水面无人艇常用的控制方法有轨迹跟踪控制、路径跟踪控制、镇定控制、编队控制等。

轨迹跟踪控制方法是指预先设定好水面无人艇的航行路线，并控制水面无人艇按此轨迹路线航行。这种方法能有效的对单个水面无人艇的航行进行控制，但这种方法在实际中需要考虑多方面的影响因素，如动力学模型的不确定性、外界干扰、状态约束、饱和性等等，以上因素均会对控制方法的实际应用产生一定的影响。目前的轨迹跟踪控制方法中虽然已有相关成果考虑了其中的几个因素，但均不够全面，所以导致的控制效果并不理想。

例如：

“反步法的自适应神经网络控制方法(杨杨的《动力定位船舶非线性自适应控制研究》)”，对于水面无人艇这一对象，由于实际的航行情况和外界干扰，其动力学模型的不确定性会对控制结果产生极大的影响。而且基于反步法的自适应神经网络控制方法也没有考虑状态约束和饱和性的问题。

廖煜雷的《无人艇的非线性运动控制方法研究》提出了一种反步自适应动态滑模控制方法，“反步自适应动态滑模控制方法”，针对欠驱动水面无人艇的轨迹跟踪控制问题，在数学模型中考虑了模型摄动、外界干扰等不确定性的影响，将反步法、动态滑模控制和自适应技术相结合，虽然能有效的处理具有不确定性的非线性系统，而且具有较好的鲁棒性和自适应能力。但是这种方法同样未对状态约束和饱和性的问题进行处理，导致其在实际应用中可能存在一定误差。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的针对水面无人艇轨迹跟踪控制方法未对状态约束和饱和性问题进行处理的问题，从而避免了控制中因上述问题而产生一定误差。

考虑输入饱和的水面无人艇全状态约束轨迹跟踪控制方法，包括以下步骤；

步骤一、建立水面无人艇的动力学模型：

随体坐标系o-xy的坐标原点o位于水面无人艇的重心处，x轴沿中纵轴线从艇尾指向艇首，y轴指向左舷；地面坐标系O-XY的坐标原点O位于系泊线和系泊终端的连接处，X、 Y轴与随体坐标系的x、y轴在同一平面内；

3自由度、多输入多输出的水面无人艇的动力学模型如下：

其中空心表示实数域；(η_x,η_y)表示地面坐标系下的位置，η_ψ表示地面坐标系下的航向角；为η的一阶导数；为无人艇的速度向量，其中，v_x为纵荡的速度，v_y为横荡的速度，v_ψ为艏摇的速度；为期望控制输入；是一个对称正定的惯性矩阵，代表向心力和科氏力矩阵，为阻尼矩阵，g(η)代表由重力、海流和浮力引起的恢复力，H为未知干扰；J(η)为从随体坐标系到地面坐标系的非奇异转换矩阵；

步骤二、建立饱和性闭环系统：

令x₁＝η,x₂＝ν，则水面无人艇的动力学模型式(1)表示为：

设计饱和函数如下：