[发明专利]一种欠驱动无人艇的滑模-反步双回路轨迹跟踪控制方法

说明书

本发明公开了一种船舶控制领域的方法，具体涉及一种欠驱动无人艇的滑模‑反步双回路轨迹跟踪控制方法。首先建立无人艇的艏向、纵荡、横荡的三自由度运动数学模型；再通过集成位姿传感器测得无人艇当前的位置信息，结合无人艇的实时位置与参考轨迹，计算在船体坐标系下的误差，然后设计基于反步法的运动学回路轨迹跟踪控制器，再设计设计基于滑模控制算法法的动力学回路轨迹跟踪控制器。从而通过滑模‑反步双回路轨迹跟踪控制器，实现了对水面无人艇的轨迹跟踪控制，可以使无人艇跟踪直线轨迹，提高无人艇航行的稳定性和精确性。

技术领域

本发明涉及一种船舶控制领域的方法，具体涉及一种欠驱动无人艇的滑模-反步双回路轨迹跟踪控制方法。

背景技术

无人水面艇是一种能够在广袤海洋坏境下实现无人操作的水面舰艇，因其不需要人员操作的特性，常被用于执行危险任务。与其他有人艇相比，无人艇表现出机动更灵活、隐蔽性更好、活动区域更广等一系列优点。但由于无人艇无人操作，且是缺少横向推进器的欠驱动系统，其在复杂海洋环境中的控制问题尤为重要，而一个好的轨迹跟踪控制器是无人艇顺利执行任务的重要保障。

针对无人水面艇运动模型的高度非线性和不确定性，以及易受外界环境干扰等特点。一般的控制方法难以解决此问题。反步法作为一种传统的非线性控制方法，其思路简单，而滑模控制方法具有较高的鲁棒性，针对非线性系统以及系统不确定性和外界环境干扰都有较好的控制效果。本文提出两种方法的结合应用于无人水面艇的轨迹跟踪控制中，以期得到较好的控制效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种欠驱动无人艇的滑模-反步双回路轨迹跟踪控制方法。它实现了水面无人艇的轨迹跟踪控制，可以使无人艇跟踪直线轨迹，提高无人艇航行的稳定性和精确性。

一种欠驱动无人艇的滑模-反步双回路轨迹跟踪控制方法，其特征在于，实现步骤如下：

步骤一：建立无人艇的固定坐标系和船体坐标系，对无人艇的艏向、纵荡、横荡的三自由度运动数学模型；

采用拉格朗日法建立USV六自由度动力学模型如式：

M为3×3的惯性参数矩阵；

C(v)为3×3科里奥利向心力矩阵；

D(v)为3×3的阻尼参数矩阵，代表流体的阻尼；

τ＝[τ₁ τ₂ τ₃]为3×3控制输入向量是由船舶的三个方向推力，分别为纵向推力、横向推力和转艏力矩；

τ_w＝[τ_w1,τ_w2,τ_w3]为3×3的环境干扰向量；

经过化简，最终得到无人艇在水面运动时的三自由度数学模型：

步骤二：通过集成位姿传感器测得无人艇当前的位置信息，艏向、纵荡、横荡等位姿信息；对获取的信息进行滤波处理，时空对准，得到精准的无人艇位置及姿态信息；

步骤三：计算位置误差，在建立的船舶模型基础上进行微分同胚变换，得到无人水面艇在船体坐标系下的误差E_B(t)＝[e_x,e_y]^T，如下：

将上式对时间t进行求导可以得到：

其中，

步骤四：设计基于反步法的运动学回路轨迹跟踪控制器；假设误差e_x收敛到σ，σ∈R且无限接近于0，构造Lyapunov函数如下：