[发明专利]考虑输入饱和的水面无人艇全状态约束轨迹跟踪控制方法

摘要

考虑输入饱和的水面无人艇全状态约束轨迹跟踪控制方法，涉及一种水面无人艇的控制方法。为了解决现有的针对水面无人艇轨迹跟踪控制的控制方法存在未对状态约束和饱和性问题进行处理的问题。本发明首先建立3自由度、多输入多输出的水面无人艇的动力学模型；然后建立饱和性闭环系统，选用自适应方法对未知干扰上界和控制输入差值上界的平方进行估计；根据自适应方法对未知干扰和控制输入设计自适应律，并根据伪逆条件设计控制器，从而对水面无人艇进行控制。本发明适用于水面无人艇的控制。

主权项

1.考虑输入饱和的水面无人艇全状态约束轨迹跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤；步骤一、建立水面无人艇的动力学模型：随体坐标系o‑xy的坐标原点o位于水面无人艇的重心处，x轴沿中纵轴线从艇尾指向艇首，y轴指向左舷；地面坐标系O‑XY的坐标原点O位于系泊线和系泊终端的连接处，X、Y轴与随体坐标系的x、y轴在同一平面内；3自由度、多输入多输出的水面无人艇的动力学模型如下：其中空心表示实数域；(η_x,η_y)表示地面坐标系下的位置，η_ψ表示地面坐标系下的航向角；为η的一阶导数；为无人艇的速度向量，其中，v_x为纵荡的速度，v_y为横荡的速度，v_ψ为艏摇的速度；为期望控制输入；是一个对称正定的惯性矩阵，代表向心力和科氏力矩阵，为阻尼矩阵，g(η)代表由重力、海流和浮力引起的恢复力，H为未知干扰；J(η)为从随体坐标系到地面坐标系的非奇异转换矩阵；步骤二、建立饱和性闭环系统：令x1＝η,x2＝ν，则水面无人艇的动力学模型式(1)表示为：设计饱和函数如下：sat(τ)＝[sat(τ1),sat(τ2),sat(τ3)]T    (3)其中sat(τ)表示实际控制输入；sat(τi)＝sgn(τi)min{τimax,|τi|},i＝1,2,3，τimax为饱和函数幅值；取z₁＝[z₁₁,z₁₂,z₁₃]^T＝x₁‑x_d，z₂＝[z₂₁,z₂₂,z₂₃]^T＝x₂‑α，其中为虚拟控制函数；J^T为J的转置；b₁＝[b₁₁,b₁₂,b₁₃]^T为z₁的约束界限；k₁₁、k₁₂、k₁₃为正的常数；考虑输入饱和的问题，则闭环系统转化为：z1表示位置的误差变量，z2表示速度的误差变量；xd为位置的期望轨迹；针对饱和性闭环系统所描述的考虑输入饱和的实际系统，存在一个实际控制输入sat(τ)以满足跟踪控制目标；步骤三、根据自适应方法对未知干扰上界和控制输入差值上界进行估计，实现对未知干扰的处理；根据伪逆条件，有：其中，(z2T)+表示z2T的穆尔彭罗斯广义逆矩阵；设计控制器如下：其中，ε、δ均为大于零的常数，k₂＝diag[k₂₁,k₂₂,k₂₃]为正的控制增益，k_2i为正的常数；α_i为虚拟控制函数α的第i行元素；为α_i的导数；J_i为非奇异转换矩阵J的第i行元素；a_i为中间变量a＝M^‑1[τ‑C(x₂)x₂‑D(x₂)x₂‑g(x₂)+H]的第i行元素；分别为h_m²、θ²的自适应估计值；根据控制器和自适应律对水面无人艇进行控制。