【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于uuv的控制工程领域，特别是涉及基于非线性模型预测控制的调速器与具有自抗扰性能的uuv轨迹跟踪与避障。
技术介绍
1、近年来，无人水下航行器(uuv)在海洋探测、海洋观测和科学研究中得到了广泛的应用。在实际应用中，解决轨迹跟踪控制问题和避障问题至关重要。然而，在开发用于uuv的控制器时，需要面对复杂环境中物理状态约束、模型不确定性和未知外部干扰等问题带来的挑战。因此，在完成具有避障任务的轨迹跟踪任务的过程中，需要设计高性能控制器来解决上述技术挑战，从而满足实际应用的需要。
2、目前许多基于避障的轨迹跟踪方法，是基于状态反馈和人工势场法来设计的，这个过程设计复杂、能耗较大、跟踪精度较低、以及无法在有限时间内对扰动进行估计。
技术实现思路
1、本专利技术目的是为了解决现有的基于避障的轨迹跟踪方法是基于状态反馈和人工势场法来进行静态避障，存在设计复杂、能耗较大、跟踪精度较低、以及无法在有限时间内对扰动进行估计的问题，本专利技术提供了一种具有避障特性的uuv自抗扰滑模预测跟踪控制方法。
2、具有避障特性的uuv自抗扰滑模预测跟踪控制方法，跟踪控制方法是基于外环调速部分和内环动力控制部分形成的双环架构实现，该跟踪控制方法包括：
3、步骤1：定义描述uuv水平面轨迹跟踪的运动学模型和动力学模型，采用欧拉法将运动学模型进行离散化处理，获得离散后的运动学模型；
4、步骤2：基于离散后的运动学模型，在外环调速部分构建模型预测调速控制器的代
5、步骤3：内环动力控制部分中的有限时间扩张状态观测器根据uuv当前实际速度v(t)来观测动力学模型中未知的集总扰动得到集总扰动观测值集总扰动包括动力学模型的不确定性和正未知上界的环境扰动；
6、步骤4：根据期望速度vd(t)与当前实际速度v(t)间的速度跟踪误差构建积分终端滑模面s(t)，积分终端滑模面s(t)遵循相应自适应律得到观测误差上界的补偿值
7、步骤5：内环动力控制部分中的积分终端滑模控制器根据集总扰动观测值速度跟踪误差积分终端滑模面s(t)和观测误差上界的补偿值得到运动控制量τ，运动控制量τ通过执行器对uuv进行运动控制。
8、优选的是，步骤2中基于离散后的运动学模型，在外环调速部分构建模型预测调速控制器的代价函数，轨迹跟踪过程中在满足避障情况的约束条件下，根据参考轨迹和当前轨迹间误差对代价函数进行优化求解，生成期望速度的实现方式包括：
9、步骤21：构建模型预测调速控制器的代价函数j(k)：
10、
11、η(k+it|k)为在k时刻预测出的k+it时刻的轨迹；
12、ηr(k+it)为在时刻k+it从给定的参考轨迹中提取的参考轨迹；
13、i＝0,1，……np-2，np-1，np为预测时域，且控制时域也为np；t为采样时间；
14、v(k+it|k)为在k时刻预测出的k+it时刻的速度；
15、q和r分别为状态变量加权矩阵和控制变量加权矩阵，q＝diag(q1,q2,q3)，r＝diag(r1,r2,r3)，q1、q2和q3分别为q中第一至第三状态通道的权值，r1、r2和r3分别为r中第一至第三控制通道的权值；
16、为q的二次型范数，为r的二次型范数；
17、步骤22：构建避障情况的约束条件：包括系统约束、速度变化范围约束、滚动优化的初始状态约束和避障约束；
18、步骤23：在满足避障情况的约束条件下，求解k到k+(np-1)t时间内代价函数j(k)最小时的最优速度控制序列uv(k)，uv(k)表示为：
19、uv(k)＝[v(k|k),v(k+t|k),…,v(k+(np-1)t|k)]t；
20、步骤24：将最优速度控制序列uv(k)中v(k|k)作为时刻k的期望速度vd(k)。
21、优选的是，步骤22中，
22、系统约束：η(k+t)＝η(k)+tr(ψ)vd(k)；
23、速度变化范围约束：vmin≤vd(k)≤vmax；
24、滚动优化的初始状态约束：
25、避障约束：go(η(k))≥0；
26、其中，η(k+t)为uuv在时刻k+t的轨迹，η(k)为uuv在时刻k的轨迹，vd(k)为时刻k的期望速度，vmin为期望速度下限，vmax为期望速度上限，为实数集，go(η(k))为uuv在时刻k的轨迹下的避障约束函数。
27、优选的是，go(η(k))＝do(η(k))-(r+ro+rs)≥0；
28、其中，
29、do(η(k))是uuv质心与障碍物质心之间的距离；
30、x为uuv质心的北向坐标，y为uuv质心的东向坐标；
31、xo为障碍物的北向坐标；yo为障碍物的东向坐标；
32、r为uuv的近似半径；
33、ro为障碍物的近似半径；
34、rs为uuv自身与障碍物之间必须保持的最小安全距离。
35、优选的是，步骤3中有限时间扩张状态观测器的表达式为：
36、
37、和分别是和的观测值，和分别为自定义的第一至第三变量，且还作为集总扰动，为集总扰动观测值；
38、m为惯性矩阵，v为uuv的速度向量，v＝[u,v,r]t，u为纵向速度，v为侧向速度，r为航向角速度；
39、c(v)为科里奥利向心矩阵，d(v)为阻尼矩阵，c(v)和d(v)中均包含动力学模型的不确定性；w为正未知上界的环境扰动；
40、
41、是第j个变量的观测误差，j＝1,2,3，且满足ζ为观测误差上界，且为正常数；
42、和均为中间变量，sign(·)为标准符号函数；
43、εj＞0，εj为第j阶观测器增益；κ为可调参数，且满足
44、优选的是，步骤4中根据期望速度vd(t)与当前实际速度v(t)间的速度跟踪误差构建积分终端滑模面s(t)的实现方式为：
45、
46、
47、为t0到t时间段内任意时刻的速度跟踪误差，s∈[t0,t]；
48、α和β分别为积分终端滑模面第一和第二增益，且α＞0，β＞1；
49、m和n分别为第一和第二可调参数，均为奇数且满足n＞m＞0。
50、t0为初始时刻，t为时间。
51、优选的是，步骤4中，自适应律遵循如下形式：
52、
53、其中，k1和ρ分别为第三和第四可调参数，且k1＞0，ρ＞0，σ为正常数。
54、优选的是，步骤5中得到运动控制量τ的具体过程为：
55、本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.具有避障特性的UUV自抗扰滑模预测跟踪控制方法，其特征在于，跟踪控制方法是基于外环调速部分和内环动力控制部分形成的双环架构实现，该跟踪控制方法包括：
2.根据权利要求1所述的具有避障特性的UUV自抗扰滑模预测跟踪控制方法，其特征在于，步骤2中基于离散后的运动学模型，在外环调速部分构建模型预测调速控制器的代价函数，轨迹跟踪过程中在满足避障情况的约束条件下，根据参考轨迹和当前轨迹间误差对代价函数进行优化求解，生成期望速度的实现方式包括：
3.根据权利要求2所述的具有避障特性的UUV自抗扰滑模预测跟踪控制方法，其特征在于，步骤22中，
4.根据权利要求3所述的具有避障特性的UUV自抗扰滑模预测跟踪控制方法，其特征在于，
5.根据权利要求1所述的具有避障特性的UUV自抗扰滑模预测跟踪控制方法，其特征在于，步骤3中有限时间扩张状态观测器的表达式为：
6.根据权利要求1所述的具有避障特性的UUV自抗扰滑模预测跟踪控制方法，其特征在于，步骤4中根据期望速度vd(t)与当前实际速度v(t)间的速度跟踪误差构建积分终端滑模面S(t)的
7.根据权利要求1所述的具有避障特性的UUV自抗扰滑模预测跟踪控制方法，其特征在于，步骤4中，自适应律遵循如下形式：
8.根据权利要求1所述的具有避障特性的UUV自抗扰滑模预测跟踪控制方法，其特征在于，步骤5中得到运动控制量τ的具体过程为：
9.根据权利要求8所述的具有避障特性的UUV自抗扰滑模预测跟踪控制方法，其特征在于，
10.根据权利要求1所述的具有避障特性的UUV自抗扰滑模预测跟踪控制方法，其特征在于，积分终端滑模控制器为具有自适应阈值补偿能力的自适应积分终端滑模控制器。
...【技术特征摘要】
1.具有避障特性的uuv自抗扰滑模预测跟踪控制方法，其特征在于，跟踪控制方法是基于外环调速部分和内环动力控制部分形成的双环架构实现，该跟踪控制方法包括：
2.根据权利要求1所述的具有避障特性的uuv自抗扰滑模预测跟踪控制方法，其特征在于，步骤2中基于离散后的运动学模型，在外环调速部分构建模型预测调速控制器的代价函数，轨迹跟踪过程中在满足避障情况的约束条件下，根据参考轨迹和当前轨迹间误差对代价函数进行优化求解，生成期望速度的实现方式包括：
3.根据权利要求2所述的具有避障特性的uuv自抗扰滑模预测跟踪控制方法，其特征在于，步骤22中，
4.根据权利要求3所述的具有避障特性的uuv自抗扰滑模预测跟踪控制方法，其特征在于，
5.根据权利要求1所述的具有避障特性的uuv自抗扰滑模预测跟踪控制方法，其特征在于，步骤3中有限...
【专利技术属性】
技术研发人员：张勋，陈慧君，邢文，冯志光，郑岩，刘阳，张宏瀚，杜雪，
申请(专利权)人：青岛哈尔滨工程大学创新发展中心，
类型：发明
国别省市：
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