基于固定时间H∞控制的水面无人艇轨迹快速跟踪控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于固定时间H

【技术实现步骤摘要】
基于固定时间H
∞
控制的水面无人艇轨迹快速跟踪控制方法


[0001]本专利技术属于水面无人艇控制的
，具体涉及一种基于固定时间H
∞
控制的水面无人艇轨迹快速跟踪控制方法。

技术介绍

[0002]随着军事侦察、环境监测、海上救援和潜艇通道检查在内的许多海洋活动的迅速兴起，水面无人艇的轨迹跟踪控制问题已成为现今研究的热点。其核心工作是设计控制律，探索控制方法，使船舶在稳定状态下，轨迹跟踪更加精确。然而，由于风、浪和海流对船舶的速度和操纵性有着重要的影响，如何实现快速且精确的轨迹跟踪是控制器面临的一大挑战。
[0003]在当前水面无人艇控制器中，船体模型参数的不确定性以及复杂多变的海洋环境扰动给系统的稳定性带来巨大影响。现今研究控制器中常用的PID(比例
‑
积分
‑
微分)控制不需要精确的系统模型且大部分情况下具有可接受的控制性能，但是传统的PID控制存在抗干扰能力不强，控制速度缓慢且参数整定复杂等问题，通常情况下参数的整定依靠多次的试凑以及丰富的调参经验支持，即使在当前的系统状态下将参数调整至较好的控制效果时，时变的外界环境干扰也会对其控制效果造成很大的影响。
[0004]目前，针对水面无人艇参数的不确定性以及海洋环境扰动问题，常见的控制方法通常是设计鲁棒控制器或者采用神经网络逼近系统的集总扰动，设计有效的轨迹跟踪控制律，使得水面无人艇能够实现从初始状态下跟踪设定的期望轨迹完成规定任务，并且在较短的时间内保证轨迹跟踪误差的全局一致渐进稳定，进而实现在指定区域的高精度快速部署作业要求。但是，由于神经网络的运算复杂以及在线计算速度有限导致一些不可避免的问题，如控制器的调整速度较慢、控制精度低、无法实现在有限的时间内收敛等。在实际工程中，由于复杂的海洋环境对速度传感器精度影响较大，因此控制器的状态信息也是不易获取的。
[0005]因此，针对实际海洋环境设计一种在固定时间内实现全局快速稳定的水面无人艇系统控制方法，使其在保证跟踪误差快速收敛的前提下，系统具有较高的稳定性，成为业内亟待解决的问题。

技术实现思路

[0006]为解决上述技术问题中的至少之一，本专利技术提出一种基于固定时间H
∞
控制的水面无人艇轨迹快速跟踪控制方法。
[0007]本专利技术的目的通过以下技术方案实现：
[0008]本专利技术提供了一种基于固定时间H
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控制的水面无人艇轨迹快速跟踪控制方法，包括如下步骤：
[0009]S1、建立包括运动学和动力学模型的水面无人艇控制系统；
[0010]S2、基于运动学和动力学模型，搭建水面无人艇轨迹跟踪误差模型；
[0011]S3、基于水面无人艇运动学和动力学设计固定时间扩张状态观测器；
[0012]S4、建立固定时间H
∞
控制器；
[0013]S5、基于水面无人艇轨迹跟踪误差模型、固定时间扩张状态观测器和固定时间H
∞
控制器设计辅助控制器建立动态系统；
[0014]S6、基于动态系统设计固定时间H
∞
轨迹跟踪控制器，并进行稳定性分析。
[0015]作为进一步的改进，所述S1步骤中，建立包括运动学和动力学模型的水面无人艇控制器包括如下步骤：
[0016]S11、建立水面无人艇的运动学和动力学模型；
[0017]S12、对水面无人艇的运动学和动力学模型进行坐标转换；
[0018]S13、对水面无人艇的运动学和动力学模型进行水面无人艇控制系统参数不确定性以及时变干扰处理。
[0019]S14、获得水面无人艇运动学和动力学模型的期望轨迹。
[0020]作为进一步的改进，所述S2步骤中，基于运动学和动力学模型，搭建水面无人艇轨迹跟踪误差模型，包括如下步骤：
[0021]S21、定义水面无人艇轨迹跟踪误差和水面无人艇在固定坐标系下的速度误差并获得水面无人艇跟踪误差动态；
[0022]S22、结合步骤S13和步骤S14对水面无人艇跟踪误差动态进行改写。
[0023]作为进一步的改进，所述S3步骤中，基于水面无人艇控制器和水面无人艇轨迹跟踪误差模型设计固定时间扩张状态观测器，包括如下步骤：
[0024]S31、设计一个固定时间扩张状态观测器，后定义其观测误差；
[0025]S32、根据定义的观测误差进一步设计固定时间扩张状态观测器。
[0026]作为进一步的改进，所述S4步骤中，建立固定时间H
∞
控制器，包括如下步骤：
[0027]S41、定义一个包含因果动态补偿器的闭环系统；
[0028]S42、利用定理证明技术分析定义的闭环系统是全局固定时间稳定的，则该因果动态补偿器是一个全局固定时间H
∞
控制器。
[0029]作为进一步的改进，所述S5步骤中，基于水面无人艇轨迹跟踪误差模型、固定时间扩张状态观测器和固定时间H
∞
控制器设计辅助控制器建立动态系统，包括如下步骤：
[0030]S51、根据步骤S22、S32和S42，在固定时间内转变水面无人艇的跟踪误差动态；
[0031]S52、引入一个辅助控制器并定义跟踪误差变量；
[0032]S53、将水面无人艇的跟踪误差动态和定义的跟踪误差变量结合以建立动态系统。
[0033]作为进一步的改进，所述S6步骤中，基于动态系统设计固定时间H
∞
轨迹跟踪控制器，并进行稳定性分析，包括如下步骤：
[0034]S61、定义用于实现动态系统在固定时间内稳定的辅助函数；
[0035]S62、在动态系统中定义了一个性能向量；
[0036]S63、根据辅助函数和性能向量设计一个基于固定时间扩张状态观测器的固定时间H
∞
轨迹跟踪控制器策略；
[0037]S64、基于固定时间H
∞
轨迹跟踪控制器策略利用定理证明技术分析水面无人艇能够在固定的时间内跟踪期望轨迹且不依赖于水面无人艇的初始状态。
[0038]作为进一步的改进，所述S11步骤中，建立水面无人艇的运动学和动力学模型如下
所示：
[0039][0040]其中，n表示水面无人艇在大地坐标系下的水平面内的三自由度位姿向量，y代表航向角，R(ψ)表示代表大地坐标系与船体坐标系之间的坐标转换矩阵，R代表实数，v表示水面无人艇在船体坐标系下水平面内的速度与角速度向量，代表水面无人艇在大地坐标系下的速度与角速度向量，代表水面无人艇在船体坐标系下的加速度与角加速度向量，M为惯性矩阵，C(v)为科里奥利向心力矩阵，D(v)为流体阻尼矩阵，上角标T代表矩阵的转置，τ为水面无人艇的控制输入向量，w(t)为风浪以及海流海洋环境所造成的时变扰动。
[0041]作为进一步的改进，所述S21步骤中，获得水面无人艇跟踪误差动态如下所示：
[004本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于固定时间H
∞
控制的水面无人艇轨迹快速跟踪控制方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、建立包括运动学和动力学模型的水面无人艇控制系统；S2、基于运动学和动力学模型，搭建水面无人艇轨迹跟踪误差模型；S3、基于水面无人艇运动学和动力学设计固定时间扩张状态观测器；S4、建立固定时间H
∞
控制器；S5、基于水面无人艇轨迹跟踪误差模型、固定时间扩张状态观测器和固定时间H
∞
控制器设计辅助控制器建立动态系统；S6、基于动态系统设计固定时间H
∞
轨迹跟踪控制器，并进行稳定性分析。2.如权利要求1所述的基于固定时间H
∞
控制的水面无人艇轨迹快速跟踪控制方法，其特征在于，所述S1步骤中，建立包括运动学和动力学模型的水面无人艇控制器包括如下步骤：S11、建立水面无人艇的运动学和动力学模型；S12、对水面无人艇的运动学和动力学模型进行坐标转换；S13、对水面无人艇的运动学和动力学模型进行水面无人艇控制系统参数不确定性以及时变干扰处理。S14、获得水面无人艇运动学和动力学模型的期望轨迹。3.如权利要求2所述的基于固定时间H
∞
控制的水面无人艇轨迹快速跟踪控制方法，其特征在于，所述S2步骤中，基于运动学和动力学模型，搭建水面无人艇轨迹跟踪误差模型，包括如下步骤：S21、定义水面无人艇轨迹跟踪误差和水面无人艇在固定坐标系下的速度误差并获得水面无人艇跟踪误差动态；S22、结合步骤S13和步骤S14对水面无人艇跟踪误差动态进行改写。4.如权利要求3所述的基于固定时间H
∞
控制的水面无人艇轨迹快速跟踪控制方法，其特征在于，所述S3步骤中，基于水面无人艇控制器和水面无人艇轨迹跟踪误差模型设计固定时间扩张状态观测器，包括如下步骤：S31、设计一个固定时间扩张状态观测器后定义其观测误差；S32、根据定义的观测误差进一步设计固定时间扩张状态观测器。5.如权利要求4所述的基于固定时间H
∞
控制的水面无人艇轨迹快速跟踪控制方法，其特征在于，所述S4步骤中，建立固定时间H
∞
控制器，包括如下步骤：S41、定义一个包含因果动态补偿器的闭环系统；S42、利用定理证明技术分析定义的闭环系统是全局固定时间稳定的，则该因果动态补偿器是一个全局固定时间H
∞
控制器。6.如权利要求5所述的基于固定时间H
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控制的水面无人艇轨迹快速跟踪控制方法，其特征在于，所述S5步骤中，基于水面无人艇轨迹跟踪误差模型、固定时间扩张状态观测器...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘海涛，王志成，田雪虹，李永卓，
申请(专利权)人：广东海洋大学，
类型：发明
国别省市：