[发明专利]一种基于指令约束的无人水面艇航迹跟踪固定时间控制方法

权利要求书

1.一种基于指令约束的无人水面艇航迹跟踪固定时间控制方法，其特征在于：包含如下步骤：

步骤(1)：通过无人水面艇上安装的传感器，采集当前无人水面艇的实际位置信息和实际艏向信息，并进行实时传输；

步骤(2)：将无人水面艇期望的位置信息与实际位置信息做差得到无人水面艇的位置误差信息，将无人水面艇期望的艏向信息与实际艏向信息做差得到无人水面艇的艏向误差信息，然后设计虚拟控制律；

步骤(3)：利用二阶指令滤波器对虚拟控制律进行约束，将二阶指令滤波器滤波后的虚拟控制律发送给系统控制器，使滤波后的虚拟控制律成为中间变量；

步骤(4)：针对外界海洋环境的干扰力进行干扰观测器的设计，对于无法避免的风、浪、流环境干扰进行干扰补偿，加入辅助积分环节，提高对干扰的抑制；

所述的干扰观测器：

上式中，τ_wu和τ_wr是外界环境干扰量；和为干扰估计值；χ_u和χ_r为设计的辅助变量；k_u、k_r、k_iu、k_ir、k_ui、k_ri为给定的控制参数；d₁₁、d₃₃和m₁₁、m₂₂、m₃₃为无人水面艇的船模参数；u表示无人水面艇的纵向速度，v表示无人水面艇的横向速度，r表示无人水面艇的转艏角速度；u_e表示无人水面艇的纵向速度偏差，r_e表示无人水面艇的转艏角速度偏差；I_u表示无人水面艇的纵向速度虚拟控制律，I_r表示转艏角速度虚拟控制律；τ_u表示无人水面艇的纵向速度控制力，τ_r表示无人水面艇的转艏角速度控制力矩；

步骤(5)：设计固定时间反步控制器，利用位置误差信息、艏向误差信息、滤波后的虚拟控制律以及干扰观测器的估计值进行解算，得到喷水推进器的推力及转矩信息，实现无人水面艇的航迹跟踪控制；

所述的设计固定时间反步控制器，包含如下步骤：

第一步：设计固定时间性能函数P(t)：

上式中，α_r,u,β_r,u＞0，0＜γ_r,u＜1均为预先设定的参数；t代表系统时间；T_f代表性能函数的期望稳定时间，P_s代表性能函数的稳态值；

第二步：根据李雅普诺夫稳定性理论，设计满足无人水面艇航迹跟踪控制律：

上式中，k₁,k₂,k₃,k₄＞0为给定的常值参数；d₁₁、d₃₃和m₁₁、m₂₂、m₃₃为无人水面艇的船模参数；ψ_e表示无人水面艇的转艏角度偏差；ε_u和ε_r为设计的辅助变量；P代表固定时间性能函数。

2.根据权利要求1所述的一种基于指令约束的无人水面艇航迹跟踪固定时间控制方法，其特征在于：步骤(3)中利用二阶指令滤波器对虚拟控制律进行约束，是指利用二阶指令滤波器使得指令约束滤波器的输出信号I_ro和指令约束滤波器的输入信号I_r之间满足如下关系：

上式中，ω_n表示自然频率；ξ表示阻尼系数；s表示二阶滤波器拉普拉斯变换后的变量参数。