[发明专利]一种USV路径跟踪控制方法

说明书

本发明公开了一种USV精确路径跟踪控制方法，步骤1：建立SF坐标系位置跟踪误差系统，设计有限时间侧滑角观测器得到侧滑角估计值；步骤2.采用FLOS导引算法，利用侧滑角估计值给出期望艏向、期望速度和路径参数的更新率；步骤3：建立艏向动态误差离散控制模型和纵向速度跟踪误差离散控制模型；步骤4：通过构造离散滑模面和离散自适应快速幂次趋近律设计艏向离散控制器和纵向速度离散控制器，并采用离散干扰估计器对外界环境力进行补偿，完成对期望艏向和期望速度在扰动下跟踪。本发明路径跟踪误差渐进收敛到零，具有全局渐进稳定性，对连续快速趋近律进行离散化并将其改进，使得稳定性与采样周期解耦，稳定性不受采样周期限制。

技术领域

本发明涉及无人艇(USV)运动控制领域，涉及一种USV路径跟踪控制方法，特别是一种基于离散滑模的USV路径跟踪控制方法。

背景技术

无人艇(USV)作为一种水面高速船，相对于常规船舶其水动阻力小、受风浪干扰的影响大，同时由于横向欠驱动，因此其高精度路径跟踪控制难度大。目前提高其路径跟踪精度的方法主要从改进导引算法、快速估计环境扰动和提高控制精度等方面入手。但是大部分路径跟踪算法都是基于连续系统设计的，而实际工程中无人艇的控制律都是通过数字控制器实现的，基于连续系统设计的控制律直接作用于数字控制器会引入未知的动态，甚至导致系统不稳定。

虽然现阶段已经出现针对离散系统设计的离散滑模控制算法，能够直接作用于USV数字控制器，但需要系统的采样周期尽可能小才能保证系统的稳定性。但是在实际工程中，系统的采样周期受硬件和成本的约束，不可无限小，导致该方法使用具有局限性。因此，研究不受采样时间约束的高精度路径跟踪控制算法具有十分重要的理论价值和实践意义。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种不受采样时间约束的USV路径跟踪控制方法，将系统稳定性与采样周期进行解耦，使得系统在任意采样周期情况下都可以保证稳定、可靠运行，提高路径跟踪控制精确度。

为解决上述技术问题，本发明的一种USV路径跟踪控制方法，包括以下步骤：

步骤1：建立SF坐标系位置跟踪误差系统，设计有限时间侧滑角观测器得到侧滑角估计值；

步骤2.采用FLOS导引算法，利用侧滑角估计值给出期望艏向、期望速度以及路径参数的更新率；

步骤3：建立USV艏向动态误差离散控制模型和纵向速度跟踪误差离散控制模型；

步骤4：通过构造离散滑模面和离散自适应快速幂次趋近律设计艏向离散控制器和纵向速度离散控制器，并采用离散干扰估计器对外界环境力进行补偿，完成对期望艏向和期望速度在扰动下的跟踪。

进一步的，步骤1中设计有限时间侧滑角观测器得到侧滑角估计值具体为：

设计未知时变侧滑角观测器：

其中，λ_i＞0,i＝1,2,L＞0，λ_i、L均为正整数，θ为路径参数，ψ为无人艇实时艏向角，u为无人艇横向速度，g(u,ψ,ψ_θ,β)＝ucos(ψ-ψ_θ)tanβ，的初值ψ_θ为北东坐标系向SF坐标系旋转角度，满足：ψ_θ＝arctan 2(y′_θ,x′_θ)，pθ＝[x_θ,y_θ]^T为期望路径曲线上任意路径目标跟踪点的坐标，p_e＝[x_e,y_e]^T为目标误差值，满足：