[发明专利]基于状态预测补偿的欠驱动UUV水平面轨迹跟踪控制方法

权利要求书

1.一种基于状态预测补偿的欠驱动UUV水平面轨迹跟踪控制方法，其特征是：

步骤1、根据当前任务，将期望轨迹信息X_d(t)＝[x_d(t)，y_d(t)，ψ_d(t)]^T传给UUV，并通过UUV所搭载的导航设备和传感器采集数据，获得当前的位置信息及航向信息X(t)＝[x(t)，y(t)，ψ(t)]^T和速度信息V(t)＝[u(t)，v(t)，r(t)]^T，x(t)、y(t)、ψ(t)分别是纵向位移、横向位移和艏向角，u(t)、v(t)、r(t)分别是纵向速度、横向速度和艏向角速度，x_d(t)、y_d(t)、ψ_d(t)为期望纵向位移、横向位移和艏向角；

步骤2、计算出实际轨迹与期望轨迹之间的位置、姿态跟踪误差，利用欠驱动UUV水平面三自度数学模型，将惯性坐标系下的误差信息转换为运动坐标系下的误差信息；

步骤3、基于步骤2中计算出的位置误差，采用定义虚拟速度误差变量的方法，将位置跟踪控制转化为速度控制，计算出纵向速度虚拟控制律u_d、横向虚拟控制律v_d和艏向角速度虚拟控制律r_d；

步骤4、分别由UUV的运动学和动力学模型设计位姿预测器和速度预测器，利用当前时刻的状态信息x，y，ψ，u，v，r去预测t+T时刻的状态信息x(t+d)，y(t+d)，ψ(t+d)，u(t+d)，v(t+d)，r(t+d)；

步骤5、结合步骤2和步骤3中的数据，通过构造Lyapunov函数将位置误差的镇定转化为对虚拟速度误差的镇定，通过镇定虚拟速度误差e_u，e_r设计实际控制τ_u，τ_r，根据步骤4预测的状态信息替换实际控制τ_u，τ_r中当前的状态信息，来构造超前控制律，控制律的超前时刻刚好和执行机构的时滞时间相互抵消；

对于运动坐标系下的位置和姿态误差构造如下Lyapunov函数：

设计纵向虚拟速度控制律u_d和横向虚拟速度控制律v_d为：

其中k₁，k₂为正常数，

将u，v视作虚拟速度，e_u，e_v为虚拟纵向、横向的速度误差，则虚拟速度的误差为：

结合式对求导得：

为镇定虚拟速度误差变量e_v，定义Lyapunov函数：

设计艏向角速度控制律r_d为：

其中k₄为大于零的常数，为横向虚拟速度控制律v_d的导数；

定义虚拟速度误差变量e_r为：

e_r＝r-r_d

为镇定虚拟速度误差变量e_u，e_r，定义Lyapunov函数：

对V₃求导得：

设计实际控制输入为：

式中k₃，k₅为大于零的常数，为实际控制输入；

分别由UUV的运动学和动力学模型设计位姿预测器和速度预测器，利用当前时刻的状态信息x，y，ψ，u，v，r去预测t+T时刻的状态信息x(t+d)，y(t+d)，ψ(t+d)，u(t+d)，v(t+d)，r(t+d)，

根据预测的状态信息替换中当前的状态信息，来构造超前控制律，控制律的超前时刻刚好和执行机构的时滞时间相互抵消，实现了对输入时滞的抑制，

2.根据权利要求1所述的基于状态预测补偿的欠驱动UUV水平面轨迹跟踪控制方法，其特征是：所述的欠驱动UUV水平面三自度数学模型包括运动学模型、含输入时滞的动力学模型、惯性坐标系下的位姿误差、运动坐标系下的位姿误差。