[发明专利]一种可预先设置控制性能且无需辅助系统介入的水面无人艇控制方法

说明书

本发明提供一种可预先设置控制性能且无需辅助系统介入的水面无人艇控制方法，包括：(1)建立无人艇运动学动力学模型；(2)对跟踪误差进行预设性能控制并确定控制目标；(3)设计无模型抗饱和控制器；(4)验证无人艇控制系统的稳定性和鲁棒性。本发明提出一种无模型控制架构，摆脱了模型需求因此可以有效抵抗不确定性干扰而无需引入辅助系统，降低了系统的复杂程度和设计难度。通过在架构中引入基于死区算子的饱和函数对控制输出进行滤波，使控制器具有抗饱和特性且不影响控制效果。通过在架构中引入适当的预设性能函数对跟踪误差进行约束，即可在试验开始前预先设置瞬态和稳态控制性能进而实现跟踪控制。

技术领域

本发明涉及一种水面无人艇的无模型抗饱和跟踪控制算法，属于水面无人艇自适应控制 技术领域。

背景技术

近几十年来，随着人们对海洋资源的需求不断增加，海洋实际应用领域对海洋机器人有 了更高的要求，其中水面无人艇逐渐成为学者重点关注的对象。无人艇的轨迹跟踪控制即令 无人艇/无人艇集群跟踪随时间变化的参考轨迹。该轨迹既需满足空间约束，还需满足时间约 束，故其关联的位姿跟踪控制问题和速度跟踪控制问题之间往往存在强耦合，以至于在设计 控制器时，需同时考虑无人艇的速度和位姿，从而使得控制器设计的复杂度被提高。为了克 服此类问题，预设性能控制方法在应用于许多领域例如自动驾驶车辆、无人机和工业机器人 等，现有的海洋机器人的预设性能方法在水下机器人的应用上有一定的成果，但这些方法在 设计时都需要获取系统模型，由于复杂的作业环境和无人艇本身的高度耦合和非线性，难以 获得准确的模型，使得预设性能方法在水面无人艇的应用上具有很多问题需要解决。当前， 面对模型不确定问题大多数方法是通过辅助系统例如设计自适应参数或者神经网络亦或者模 糊控制等方法来逼近不确定项，这无疑增加了计算负担和设计难度。

考虑至此，我们设计出一种无需辅助系统的无模型控制架构，可通过自身的强鲁棒性抵 抗不确定性干扰。由于架构中引入了性能函数，所提控制方法可在试验开始前预先设置瞬态 和稳态控制性能。更进一步地，考虑到实际工程中，执行机构产生的推力必然有界，该控制 架构明确考虑了饱和约束这一问题，因此所提控制方法在具备上述特点的同时，亦具有抗饱 和的特性。

发明内容

本发明的目的是为了实现一种无需辅助系统介入的无人艇无模型预设性能抗饱和跟踪控 制方法。包括：针对复杂的作业环境和无人艇本身的高度耦合和非线性下难以获取准确模型 的问题，我们提出一种无模型控制架构，摆脱了模型需求因此可以有效抵抗不确定性干扰而 无需引入辅助系统，降低了系统的复杂程度和设计难度。针对执行器饱和约束问题，通过在 架构中引入基于死区算子的饱和函数对控制输出进行滤波，使控制器具有抗饱和特性且不影 响控制效果。针对预设性能问题，通过在架构中引入适当的预设性能函数对跟踪误差进行约 束，即可在试验开始前预先设置瞬态和稳态控制性能进而实现跟踪控制。

本发明的目的是这样实现的：步骤如下：

(1)建立无人艇运动学动力学模型；

(2)对跟踪误差进行预设性能控制并确定控制目标；

(3)设计无模型抗饱和控制器；

(4)验证无人艇控制系统的稳定性和鲁棒性。

进一步地，在步骤1中建立的无人艇运动学和动力学模型，如下所示：

其中η＝[x,y,ψ]^T表示无人艇在地心坐标系下的位置和偏航角；代表在本体坐标系下 的线速度和角速度；是系统的惯性矩阵；是未知的非线性函数，包括水动 力和模型参数扰动；表示约束后的实际的控制输出；表示所需 要的控制输入；R(ψ)是坐标转换矩阵，定义如下：

其中R(ψ)自身满足R^T(ψ)＝R-¹(ψ)且导数为具体如下：