[发明专利]一种基于受限反步法控制的欠驱动无人船轨迹跟踪方法

说明书

一种基于受限反步法控制的欠驱动无人船轨迹跟踪方法，步骤如下：(一)建立惯性坐标系下欠驱动水面无人船的三自由度运动学和动力学模型。(二)距离控制设计：给定一条期望轨迹，由位置误差计算得到位置虚拟控制律，由虚拟控制律进一步推出控制纵向速度的带有输出约束的实际输入控制律，并使用神经网络对外界干扰进行估计及补偿，以此减小无人船与参考轨迹之间的距离差。(三)角度控制设计：计算角度误差，并由此计算得到角度虚拟控制律，由虚拟控制律进一步推出控制艏摇角速度的带有输出约束的实际输入控制律，并使用神经网络对外界干扰进行估计及补偿，以此减小无人船与参考轨迹之间的角度差。

技术领域

本发明提供一种基于受限反步法控制的欠驱动无人船轨迹跟踪方法，它提供一种在考虑参数不确定、输出约束以及未知干扰的情况下，欠驱动水面无人船的新轨迹跟踪控制方法，属于无人船自动控制技术领域。

背景技术

近年来，对于无人船轨迹跟踪控制的研究和实际应用越来越多。作为能够监测海域环境、执行军事作战任务的水上工具，水面无人船得到越来越多的重视。特别是在未来的军事方面，无人船将会成为收集情报、自主击打和零伤亡的重要军事手段。无人船的主要特点是速度快、体积小、航行自主，这三大特点保证了无人船的实战应用价值。当任务环境危险复杂时，利用无人船执行任务可以在减少伤亡同时，保障任务的成功率。因此，无人船的轨迹跟踪对于海上侦察，导航和海况监测具有重要意义，这就要求无人船具有良好的跟踪性能以高效完成任务，在这种情况之下，许多跟踪控制方法应运而生。在实际应用中，无人船的模型参数无法准确得知，且时刻受到海上风、浪、流的干扰，而这种干扰时变且不可预测的。同时，海上情况复杂多变，随处可能存在礁石、峡道，因此对无人船的控制进行输出约束的限制是必不可免的。此外，欠驱动无人船只有两个有效的输入驱动，这一切因素都使得欠驱动无人船的控制过程变得复杂且具有挑战性。目前，针对无人船轨迹跟踪控制算法的研究，主要应用的方法有视线制导、神经网络、模糊理论等。这些方法大多没有考虑输出约束的问题，因此，需要提出一个性能更好、可靠性更高的无人船轨迹跟踪控制方法。

本发明“一种基于受限反步法控制的欠驱动无人船轨迹跟踪方法”基于以上问题进行考虑，而提出可靠的，解决参数不确定、输出约束、外界干扰下的无人船轨迹跟踪问题的控制理论。通过惯性坐标系下欠驱动无人船的三自由度模型，将其轨迹跟踪问题拆分为位置跟踪及姿态跟踪问题其中，使用径向基函数神经网络模型对外界干扰进行估计和补偿估计。同时，引入障碍李雅普诺夫函数解决输出约束问题。通过李雅普诺夫稳定性分析以及模拟仿真，证明所设计控制器可靠性较高，无人船可以高精度跟踪参考轨迹，，并保证系统全局一致有界。

发明内容

(1)目的：本发明的目的在于提供一种基于受限反步法控制的欠驱动无人船轨迹跟踪方法，控制工程师可以在结合实际参数的同时，按照该方法实现水面无人船抗扰动、抗输出约束的轨迹跟踪控制。

(2)技术方案：本发明“一种基于受限反步法控制的欠驱动无人船轨迹跟踪方法”，其主要内容及步骤是：首先给定惯性坐标系下欠驱动无人船考虑外界干扰时的三自由度模型，然后针对该模型进行控制器设计。该方法依据有效输入分为距离控制及姿态控制两部分，因此控制律也相应的由两部分组成：距离控制律和姿态控制律。两种控制律都基于输出约束自适应反步法进行设计。由该方法计算得到的实际输入控制量将传输至螺旋桨等执行机构，即可实现无人船轨迹跟踪功能。

本发明“一种基于受限反步法控制的欠驱动无人船轨迹跟踪方法”，其具体步骤如下：

步骤一建立惯性坐标系下欠驱动水面无人船的三自由度运动学和动力学模型。

步骤二距离控制设计：给定一条期望轨迹，由位置误差计算得到位置虚拟控制律，由虚拟控制律进一步推出控制纵向速度的带有输出约束的实际输入控制律，并使用神经网络对外界干扰进行估计及补偿，以此减小无人船与参考轨迹之间的距离差。