[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

说明书

本发明属于无人艇控制领域，涉及一种欠驱动无人艇预设性能路径跟踪控制方法及系统。该方法从工程实践的角度出发，首先在运动学层面设计了反正切型路径跟踪预设性能制导律；随后在动力学层面设计虚拟速度律，预设时间动力学控制律和鲁棒自适应律，使航向跟踪误差全过程处于预设性能界限内。同时，横向误差在满足预设性能条件后也会时刻处于预设界限内，从而达到对期望路径的精确跟踪。所设计的控制策略可确保系统误差的预设性能与预设时间收敛，保证了无人艇执行任务时的安全性。

技术领域

本发明属于无人艇(包括水下航行器、水下机器人、水面无人船等)控制领域，更具体地，涉及一种欠驱动无人艇预设性能路径跟踪控制方法及系统。

背景技术

近年来，随着人们对海洋资源的开发和利用，无人艇(包括水下航行器、水下机器人、水面无人船等)开始得到广泛的应用与发展，路径跟踪控制是无人艇实现其自主航行功能的重要一环，而控制器的设计将直接影响无人艇对预定路径的跟踪精度及作业安全。因此，无人艇的路径跟踪控制是近年来的热点问题之一。

为了使无人艇实现这一目的，国内外学者基于反步法、滑模等非线性算法设计的控制器已经取得了许多较好的成果。在无人艇路径跟踪控制中的运动学层面算法中，LOS制导算法可将无人艇平滑地导引到期望路径上。然而，对无人艇作业同样十分关键的瞬态性能往往缺乏约束。为此，有必要对其进一步优化，实现路径跟踪误差状态瞬态和稳态性能的兼顾。在动力学层面，现有研究中关于航向跟踪控制器取得的成果大多为渐近稳定性，即在无限远时间后令航向跟踪误差收敛，然而其误差达到收敛所需的时间却无法保证。针对这一问题，有必要结合预设时间理论设计动力学控制器使得航向跟踪误差在预设时间内收敛。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种欠驱动无人艇预设性能路径跟踪控制方法，其目的在于实现对欠驱动无人艇运动控制过程中瞬态性能和预设时间的兼顾，由此解决无人艇安全航行路径跟踪控制的技术问题。

为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种欠驱动无人艇预设性能路径跟踪控制方法，该方法期望无人艇在人为预设时间内收敛到期望路径上，且全过程都未超出所预设的包络范围。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预设性能视线制导律，在初始大误差时刻，制导律为比例视线角，驱使跟踪误差渐进收敛于零，而误差收敛至满足性能切换不等式后进入预设性能控制阶段，此后，误差严格处于约束内。这一方法吸取了传统视线角的精华，结构简单，无需引入自适应项，且不需要进行初始条件假设；接着设计得到了预设性能虚拟速度律以引导无人艇达成预设性能目标；最终基于鲁棒自适应技术设计了预设时间动力学控制律，该控制律不再期望误差在预设时间内收敛于零，仅需收敛到预设的残差界限内即可，最终完成精准路径跟踪控制。其中：

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，而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：