[发明专利]具有输出约束的水下无人航行器轨迹跟踪控制方法和系统

权利要求书

1.一种具有输出约束的水下无人航行器轨迹跟踪控制方法，其特征在于，包括：

步骤1、获取水下无人航行器当前状态信息，包括纵向和横向的实际位置[x,y]、纵向和横向的实际速度[u,v]；

步骤2、给定平滑有界的期望轨迹[x_d,y_d]，计算期望轨迹[x_d,y_d]和实际位置[x,y]之间的位置误差[e_x,e_y]；

步骤3、对位置误差[e_x,e_y]进行等效误差转换，获得位置等效误差[ε_x,ε_y]；

位置等效误差[ε_x,ε_y]的公式为：

其中，ρ是正且严格递减的连续函数；δ为取值范围为[0,1]的设定值；

步骤4、以实现等效误差收敛为原则设计虚拟控制律表达式，将位置等效误差[ε_x,ε_y]代入虚拟控制律表达式，获得期望速度[u_d,v_d]；

虚拟控制律的表达式为：

其中，[u_d,v_d]为期望纵向速度和期望横向速度；为横倾角，k_x、k_y为常数，k_x，k_y＞0；ξ_x、ξ_y为定义变量，

步骤5、计算期望速度[u_d,v_d]和实际速度[u,v]之间的速度误差[u_e,v_e]，对速度误差[u_e,v_e]进行等效误差转换，获得速度等效误差[ε_u,ε_v]；

速度等效误差[ε_u,ε_v]的公式为：

其中，连续函数ρ_u、ρ_v为定义的正且严格递减的连续函数；δ_u、δ_v为取值范围为[0,1]的设定值；

步骤6、将位置等效误差[ε_x,ε_y]代入速度控制律表达式和回转控制律表达式，获得控制律[τ_u,τ_r]；

步骤7、将控制律[τ_u,τ_r]施加到水下无人航行器上。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤6采用的速度控制律表达式和回转控制律表达式分别为：

其中，τ_u，τ_r分别为纵向力和回转力矩，S_u、S_v分别为纵向和横向的滑模渐进稳态平面，且m_ur＝m-Y_r，d_u＝-X_uuu²-X_vvv²，d_v＝-Y_vuv-Y_v|v|v|v|，d_r＝-N_vuv-N_v|v|v|v|-N_rur，m为水下无人航行器的总质量，I_z表示水下无人航行器惯性矩，为已知的水动力参数；k_u、k_v为滑模渐进稳态平面表示式中的设定常数，η_u、η_v为滑模渐进稳态平面的趋近参数。

3.一种具有输出约束的水下无人航行器轨迹跟踪控制系统，其特征在于，包括位置传感模块、位置误差计算模块、第一性能误差转换模块、期望速度计算模块、速度误差计算模块、第二性能误差转换模块和轨迹跟踪控制模块；

位置传感模块，用于获取水下无人航行器当前状态信息，包括纵向和横向的实际位置[x,y]、纵向和横向的实际速度[u,v]；将获取的纵向和横向的实际位置[x,y]发送给位置误差计算模块，将获取的纵向和横向的实际速度[u,v]发送给速度误差计算模块；

位置误差计算模块，用于根据给定的平滑有界的期望轨迹[x_d,y_d]，计算期望轨迹[x_d,y_d]和实际位置[x,y]之间的位置误差[e_x,e_y]，发送给第一性能误差转换模块；

第一性能误差转换模块，用于采用式(1)对位置误差[e_x,e_y]进行等效误差转换，获得位置等效误差[ε_x,ε_y]，发送给期望速度计算模块；

其中，ρ是正且严格递减的连续函数；δ为取值范围为[0,1]的设定值；

期望速度计算模块，用于将位置等效误差[ε_x,ε_y]代入为实现等效误差而设计的虚拟控制律表达式(2)，获得期望速度[u_d,v_d]，发送给速度误差计算模块；

其中，[u_d,v_d]为期望纵向速度和期望横向速度；为横倾角，k_x、k_y为常数，k_x，k_y＞0；ξ_x、ξ_y为定义变量，

速度误差计算模块，用于计算期望速度[u_d,v_d]和实际速度[u,v]之间的速度误差[u_e,v_e]，发送给第二性能误差转换模块；

第二性能误差转换模块，用于采用式(3)对速度误差[u_e,v_e]进行等效误差转换，获得速度等效误差[ε_u,ε_v]，发给轨迹跟踪控制模块；

其中，连续函数ρ_u、ρ_v为定义的正且严格递减的连续函数；δ_u、δ_v为取值范围为[0,1]的设定值；

轨迹跟踪控制模块，用于将位置等效误差[ε_x,ε_y]代入速度控制律表达式(4)和回转控制律表达式(5)，获得控制律[τ_u,τ_r]，将控制律[τ_u,τ_r]施加到水下无人航行器上；

其中，τ_u，τ_r分别为纵向力和回转力矩，S_u、S_v分别为纵向和横向的滑模渐进稳态平面，且m_ur＝m-Y_r，d_u＝-X_uuu²-X_vvv²，d_v＝-Y_vuv-Y_vvv|v|，d_r＝-N_vuv-N_vvv|v|-N_rur，m为水下无人航行器的总质量，I_z表示水下无人航行器惯性矩，为已知的水动力参数；k_u、k_v为滑模渐进稳态平面表示式中的设定常数，η_u、η_v为滑模渐进稳态平面的趋近参数。