[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

说明书

本发明提供的是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。步骤1:UUV根据当前任务获取位置、姿态信息；步骤2:利用欠驱动UUV的数学模型得出运动坐标下的位置、姿态误差变量；步骤3:通过镇定位姿误差变量，计算虚拟控制律；步骤4:根据UUV的运动学和动力学模型分别构造位姿状态预测器和速度状态预测器；步骤5:根据预测的状态信息构造UUV实际轨迹跟踪控制律。本发明的方法可以在欠驱动UUV执行机构存在时间延迟的情况下，利用本发明所提出的方法设计的UUV轨迹跟踪控制器作用下的UUV，可以实现对平面轨迹的精确跟踪，所设计的控制器更加符合工程实际的要求。

技术领域

本发明涉及的是一种欠驱动水下无人航行器运动控制方法，具体地说是一种欠驱动UUV在输入时滞下的水平面轨迹跟踪控制方法。

背景技术

地球上海洋面积广阔，广袤的海洋蕴藏着丰富的资源，随着人类文明的进步，资源的重要性越来越重要，因此海洋开发活动拥有非常重要的战略和现实意义。

海洋资源的开发离不开科学技术的支持，而UUV是海洋资源勘探和开发的重要工具，尤其是UUV的轨迹跟踪控制能力是实现水下地形测绘、救生、勘探等任务的重要技术保障。

传统UUV轨迹跟踪控制器的设计均忽略了航行器控制输入具有时滞(时间延迟)的特性，即UUV的舵、螺旋桨等执行机构的控制输入量已经发生改变，其位置和姿态等输出量却并不如阶跃信号一样能立即发生相应改变，而是要延时一段时间后才发生变化。然而，实际的UUV运动控制系统的控制输入存在时间延迟这种固有属性是不可忽略的，主要体现在其舵机上，系统下达指令后，舵机的舵面无法立刻偏转到指定的角度，完成控制力和力矩的分配，从而产生控制输入的时滞。这种时滞是固定的时间延迟，机械传动特性决定了其不可消除，其数量级通常在10^-1秒。时滞对于实时跟踪要求高的欠驱动UUV轨迹跟踪控制系统的跟踪性能以将产生严重的负面影响，甚至破坏整个系统的稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在欠驱动UUV执行机构存在时间延迟的情况下可以实现对平面轨迹的精确跟踪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。

本发明的目的是这样实现的：

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，将惯性坐标下的误差信息转换为运动坐标下的误差信息；

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)；