[发明专利]一种欠驱动无人艇预设性能路径跟踪控制方法及系统

权利要求书

1.一种欠驱动无人艇预设性能路径跟踪控制方法，其特征在于，包括：

首先，结合预设性能函数、预设时间函数以及预设性能转换误差函数完成了误差转换，为后续控制器设计奠定基础；

随后，设计了一种工程实践可用的反正切型路径跟踪预设性能视线制导律；

接着设计得到了预设性能虚拟速度律；

最终基于鲁棒自适应技术设计了预设时间动力学控制律，完成精准路径跟踪控制。

2.如权利要求1所述的一种欠驱动无人艇预设性能路径跟踪控制方法，其特征在于，结合预设性能函数、预设时间函数以及预设性能转换误差函数完成了误差转换，为后续控制器设计奠定基础；

所述预设性能函数为：

ρ＝(ρ₀-ρ_∞)e^-κt+ρ_∞

其中，ρ₀为规定的初始误差界限，ρ_∞为稳态阶段可允许的最大静差，κ为待设定正常数，其数值决定了收敛速度。

所述预设时间函数为：

式中，e为自然常数，T是由控制工程师预设的收敛时间，σ0和b＞＞ε0为设计参数。σ的选取决定了系统误差收敛速率，ε决定了最终的跟踪精度。

所述预设性能转换误差函数定义为：

其中，y_e为无人艇实际位置与期望路径的横向偏差；p(y_e)是一随误差切换的变量，定义为e_l和e_u为时变衰减的误差边界，可表示为式中δ_l和δ_u为待选取参数。

3.如权利要求1所述的一种欠驱动无人艇预设性能路径跟踪控制方法，其特征在于，所设计的反正切型路径跟踪预设性能视线制导律如下：

其中，γ_d为路径切向角，为侧滑角，u和v分别为定义在无人艇载体坐标系上的前向和横向速度，k_los为正定待选取参数，切换不等式定义如下

式中，σ∈(0,1)为控制工程师选取的条件参数，为水平面合速度。当上述两个不等式同时得到满足时，制导律会进行切换。第一个不等式为性能不等式，旨在确定控制可达到预设性能目标。而第二个不等式为初始条件判断不等式，旨在避免切换后初始时刻就违背预设性能界限。所述的反正切型路径跟踪预设性能视线制导律无需如现有预设性能工作中对初始位置做出约束，且算法结构简单，更为便于工程应用。

4.如权利要求1所述的一种欠驱动无人艇预设性能路径跟踪控制方法，其特征在于，所设计的预设性能虚拟速度律如下：

其中，k_ψ1为控制参数，ζ_P为非线性转换函数，为其一阶导数，ψ_e为航向误差。

5.如权利要求1所述的一种欠驱动无人艇预设性能路径跟踪控制方法，其特征在于，所设计的预设时间动力学控制律如下：

其中，m_ij代表了惯性矩阵第i行第j列的元素，f_r(r)为水动力项，k_ψ2为控制参数，z_ψ1＝ζ_P(t)ψ_e为预设时间转换误差变量，ζ_P(t)为预设时间函数，b为设计参数，z_ψ2＝r-α_r为速度跟踪误差，r为定义在无人艇载体坐标系上的转艏角速度，为α_r的一阶导数，是对外界环境扰动在艏摇自由度上的扰动分量d₃的未知上界的鲁棒自适应估计项。

6.如权利要求1所述的一种欠驱动无人艇预设性能路径跟踪控制方法，其特征在于，所设计的鲁棒自适应律如下：

式中，λ_r和Γ_r为待设定控制参数。同时，扰动上界估计误差可定义为