[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

说明书

本发明公开了一种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，该方法首先获取水下无人航行器当前位置和速度；计算平滑有界的期望轨迹和实际位置之间的位置误差；对位置误差进行等效误差转换，获得位置等效误差；将位置等效误差代入虚拟控制率表达式，获得期望速度；计算期望速度和实际速度之间的速度误差，对速度误差进行等效误差转换，获得速度等效误差；将位置等效误差代入速度控制率表达式和回转控制律表达式，获得控制率，最终施加到水下无人航行器上。本发明通过对控制率的设计限制了UUV轨迹跟踪误差，确保其在狭窄等复杂海域也可以安全航行。

技术领域

本发明涉及水下无人航行器(UUV，Unmanned Underwater Vehicle)控制领域，具体涉及一种具有输出约束的UUV轨迹跟踪控制方法和系统。

背景技术

UUV由于体积小、可控性强等优势，故而成为一种广泛应用于军事领域、海洋开发以及科学研究等领域的航行器。运动控制是保证UUV在复杂、未知海域成功完成军事、科学勘测等任务的核心技术。

目前对于UUV轨迹跟踪问题的控制方法基本都未考虑跟踪误差的界限，但是尤其在狭窄等复杂海域进行轨迹跟踪控制时，就会对UUV的跟踪误差要求变得很苛刻，如果跟踪误差过大，极有可能发生安全事故。因此急需一种具有输出约束的轨迹跟踪控制方法。由于预设性能控制方法在动态性能及控制精度方面明显优于传统控制方法，因此本发明采用预设性能控制方法进行控制系统的设计。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种具有输出约束的UUV轨迹跟踪控制方法和系统，通过对控制率的设计限制了UUV轨迹跟踪误差，确保其在狭窄等复杂海域也可以安全航行。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种具有输出约束的水下无人航行器轨迹跟踪控制方法，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]；

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

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]；

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

步骤7、将控制率[τ_u,τ_r]施加到水下无人航行器上。

优选地，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]的公式为：