[发明专利]一种无人船无模型固定时间精准轨迹跟踪控制方法

说明书

本发明提供一种无人船无模型固定时间精准轨迹跟踪控制方法，包括：构建带有输入饱和以及复杂扰动的USV模型；基于构建的所述USV模型，设计固定时间集总观测器；基于设计的所述固定时间集总观测器，设计自适应辅助系统；基于设计的所述自适应辅助系统，设计快速非奇异终端滑模；基于设计的所述固定时间集总观测器、自适应辅助系统以及快速非奇异终端滑模，设计无模型固定时间精确跟踪控制策略。本发明的技术方案可以保证同时遭遇输入饱和、复杂环境扰动以及模型动态完全未知的无人船在一个期望时间内精准地跟踪上期望轨迹，获得更快的收敛速度与跟踪精度，解决了传统滑模策略中的奇异性和收敛速度慢的问题。

技术领域

本发明涉及无人船快速、精准跟踪控制技术领域，具体而言，尤其涉及一种无人船无模型固定时间精准轨迹跟踪控制方法。

背景技术

近年来，无人水面艇(unmanned surface vehicle,USVs)已被广泛地应用于水质监测、海洋探测、水下地形测量等工程实践和科学实验中。由于上述原因，越来越多的学者关注USV的轨迹跟踪，并在该领域取得了一些成果。为了保证USV能在复杂的海洋条件下实现精确的轨迹跟踪，许多研究者考虑到外部干扰、系统不确定性和执行器的动力学因素，设计出合适的跟踪器。由于收敛性能好，抗扰动和抗不确定性能力强，因此采用滑动模式控制(sliding mode control,SMC)方法来解决精确的轨迹跟踪问题。例如，采用辐射基函数神经网络和扰动观测器相结合的自适应SMC方法，处理USV模型的不确定性和复杂扰动，实现了快速响应、突出的收敛性能和高精度跟踪。

考虑到动态不确定性和时变扰动，针对USV开发了一种快速的非奇异值SMC方法来跟踪参考轨迹，并比现有的非奇异值SMC歧管获得更快的收敛速度。利用事件触发的SMC跟踪系统的策略，该方法具有外部干扰，可以减少控制更新并保证系统的渐近稳定性以及资源使用和成本的优化。此外，SMC方法旨在接收有限时间收敛。与指令滤波SMC结合的有限时间策略已被用于自主飞艇，以追求更好的跟踪性能。但是，上述文献忽略了系统的不确定性，尽管它们在收敛速率方面取得了不错的表现。考虑到USV轨迹跟踪系统的参数不确定性，扰动和执行器故障，提出了一种自适应控制与时变SMC相结合的新型有限时容错跟踪控制器。控制器可以在有限时间内确保USV跟踪参考轨迹，且不需要已知惯性参数。研究人员分别开发了一种有限时间SMC方法和基于负齐次控制有限时间控制方案与观测技术相结合，以消除不确定性和时变干扰对轨迹的负面影响。另外，有限时间方案可以实现良好的收敛速度，但是收敛时间受初始状态的影响。针对这一问题，提出了一种固定时间控制方案，并在控制领域取得了许多成就。基于双极限齐次理论设计了一种新颖的固定时间非奇异滑模流形，实现了在设定时间内对无人飞行器的轨迹跟踪，但扰动的上限需要事先知道。考虑到无人飞行器的状态约束和系统不确定性，付等人开发了一种新的障碍李雅普诺夫函数，以确保固定时间稳定不违背状态约束。

为了进一步处理干扰的不利影响，科研人员提出了几种方法，例如扰动观测器，自适应模糊控制和智能学习算法等。例如，研究人员设计了一种自构造神经，在线模糊逼近集总未知。有学者研究了一种扰动观测器去辨识和补偿扰动。此外，有学者设计了一种固定时间扰动观测器，可以在一个固定时间内精准辨识复杂扰动。实际上，由于物理限制，执行器饱和通常发生在控制系统中。如果执行器长期处于饱和状态会损坏执行器，严重降低轨迹跟踪精度。有研究人员利用屏障利雅普诺夫和非线性观测器来处理执行器饱和与干扰的影响。考虑参数不确定性，未知干扰和执行器非线性，研究人员通过结合自适应控制方法解决了输入饱和问题。此外有科研人员设计了一个辅助系统来抵消输入饱和的影响，但是该方案需要确保不确定性是有界的。但是，在无人船固定时间轨迹跟踪控制领域中，现存文献中并未对输入饱和产生的影响进行处理，这可能会显著地降低控制品质甚至造成系统不稳定。

发明内容