【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及的是一种无人艇控制领域的技术，具体是一种水面无人艇无模型参数间歇通信饱和控制方法。
技术介绍
1、海洋环境极其复杂，无人艇在进行轨迹跟踪控制过程中所受的外界干扰往往无法通过传感器精确获得，伴随着航行时间增加以及无人艇的姿态和速度变化会导致模型参数的改变，这些信息往往无法在控制器中实时更新。同时，无人艇在海面上的运动具有强耦合和非线性特性，无模型方法在其控制系统的设计中显得尤为重要，尤其是在提高对模型参数和外部干扰的鲁棒性方面。此外，在数据传输过程中，艇载状态等信息交互均需通过数字模块，对于连续系统而言，需要将连续控制指令进行离散化，从而可以传输给对应的执行机构。而执行机构需要高频从控制器获取控制指令来完成指定的航行任务。如果遇到带宽限制或通讯阻塞导致数据丢失或堆积，执行机构可能无法识别和处理相关控制指令。
技术实现思路
1、本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提出一种水面无人艇无模型参数间歇通信饱和控制方法，在控制框架中采用事件触发机制，合理降低通信频率，减少对通讯资源的占用。同时，将无模型控制与滑模控制相结合，以减少控制器对模型参数的依赖，并简化运算过程，同时考虑执行机构的饱和故障等情况。能够在有限的通讯资源和模型参数随环境以及时间的变化未知情况下，精确且及时地传输控制信号的问题。
2、本专利技术是通过以下技术方案实现的：
3、本专利技术涉及一种水面无人艇无模型参数间歇通信饱和控制方法，包括：
4、步骤1、构造水面无人艇模型并采
5、步骤1.1、考虑螺旋桨和舵的效能降低以及饱和情况建立水面无人艇模型，具体为：其中：表示水面无人艇在惯性坐标系下的位置和艏向角；表示水面无人艇在随体坐标系下的纵向运动速度、横向运动速度以及艏向角变化速度；表示速度向量vi＝[u,v,r]t的一阶导数；r(ψ)为坐标系转换所需的非奇异旋转矩阵；正定的惯性矩阵向心力和科里奥利力阻尼矩阵其中：为外界环境中的未知干扰，γsat(τ)为考虑到执行机构健康程度的饱和函数，τmax,τmin分别代表执行机构所能提供的最大输出力矩和最小输出力矩。和mii，i＝1,2,3表示无人艇惯性矩阵在运动自由度上的分量，c13＝m22v-m23r；c23＝m11u表示向心力参数；d*(v)代表未知的流体力学参数。
6、步骤1.2、采用eular-lagrange系统优化水面无人艇模型，具体为：
7、其中：bτ＝γsat(τ)，m(η)＝r(ψ)mrt(ψ)，
8、
9、
10、欧拉系统中的参数满足：‖m||≤a1，||c(v)||≤a2，||d(v)||≤a3+a4||v‖，max(sup‖r(ψ)||,sup||rt(ψ)||)≤p1，其中：
11、ai(i＝1,...,5)，和p1,p2为未知正数，上述公式采用范数处理为：
12、||m(η)||＝||r(ψ)mrt(ψ)||≤||r||·||m||·||rt||≤p12a1，
13、
14、
15、
16、针对eular-lagrange系统转换的假设和性质：对于任意向量x∈r3×1，始终成立。假设外界干扰具有上界，以及模型各个参数在一定范围内变化。
17、步骤2、将机构故障和饱和问题引入基于优化后的水面无人艇模型并相应设置其控制器策略，具体为：考虑执行机构效能问题以及饱和问题，饱和函数sat(τ)＝θ(τ)τ，其中：τ表示理论控制输入；为对角矩阵，且对角线各个参数其他情况；针对模型中的参数其中在矩阵γ中，对角线元素0≤χi≤1，在χi＝0时表示控制器完全失效，无法提供任何推力；在χi＝1时表示控制器健康，能够提供完全的推力模式。
18、步骤3、设置事件触发的机制并对应调整水面无人艇模型的控制器和自适应律后，通过水面无人艇模型生成待估计的无人艇模型和干扰的上界，具体包括：
19、步骤3.1、构造滑模面模型其中：为轨迹跟踪误差，为的一阶导数，ηd表示期望轨迹和艏向角，k1为待设定的正数；对滑模面模型化简为m(η)＝m，,通过构造期望轨迹ηd的导数满足其中η1,η2为正数；将上述公式对于时间求导：其中：为的二阶导数，将对应项代入：设定以下参数以便于化简公式：转换为：
20、步骤3.2、调整水面无人艇模型的控制器以保证系统稳定，具体为：控制器其中：代表用于无人艇抵抗外界干扰以及模型参数变动的控制力矩，代表滑模误差趋于渐进稳定的控制力矩，ka＞0为控制增益是一个正数；为控制器参数；为γi的自适应估计值，i＝1、2、3、4、5；
21、所述的自适应估计值的更新率为：其中：控制参数αi＞0，ci＞0，各项自适应律中为满足系统的渐近稳定。
22、步骤3.3、滑模面测量误差事件触发机制其中：δ0和均为正数。
23、步骤4、对系统稳定性进行证明，证明对于无人艇模型所设计的控制器能够保证系统的渐近稳定，具体包括：
24、步骤4.1、构造lyapunov方程，能够证明系统的稳定性：v＝v1+v2，其中：v,v1,v2均为能量函数。
25、步骤4.2、将lyapunov方程对于时间进行求导：代入不等式得到：将步骤3中的事件触发机制代入得到：
26、步骤4.3、将步骤3.2的控制律进行放缩处理：
27、对上式进行处理：进而得到：stτ≤eτ；
28、步骤4.4、将步骤3.2的控制律及步骤3中的自适应律和不等关系代入步骤4.2得到的lyapunov方程：其中：λmax(·)表示最大特征值，λmin(·)表示最小特征值。利用杨氏不等式对上式进行处理，得：将不等式代入，得：将事件触发机制代入：
29、步骤4.5：对步骤4.4得到的lyapunov方程v2进行处理，证明其稳定性：
30、将自适应律代入上式，得：
31、
32、步骤4.6：构造lyapunov方程v进行稳定性分析：v＝v1+v2，方程v对于时间进行求导：将步骤4.3和步骤4.4中不等式代入，并进行化简：运用杨氏不等式对上式进行处理：其中：至此可以证明滑模面以及估计误差将趋近于零，系统一致终端有界稳定。
33、步骤4.7：由于步骤3.3考虑到无人艇数据传输的离散特性，将其移植到包含实艇模型、核心控制器、传感器、通信设备以及螺旋桨和舵的无人艇实艇框架中，作为载体与控制器、执行机构相连接，从而实现无人艇轨迹跟踪控制性能的优化以及路径跟随控制效果。
34、所述的无人艇实艇框架提供了对系统行的响应和预测能力，将自身状态信息以及估计的模型参数输送给控制器，并对于执行机构的输出进行响应。
35、所述的通信设备包括：串口通信以及网络通信，其用于各设备的数据传输以及保持上位机和下位机的通信能力，其中：网络通信包括网络监控模块，即用于雷达本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种水面无人艇无模型参数间歇通信饱和控制系统，其特征在于，包括：事件触发检测单元、无模型估计单元以及饱和处理单元，其中：事件触发检测单元根据无人艇传感器所获取的位置、速度信息，构建滑模误差函数并设计相应无人艇事件触发机制，将无人艇状态信息以及控制指令进行离散化处理；无模型估计单元通过对于无人艇参数的估计值，运用自适应控制技术对该部分进行处理；饱和处理单元根据控制器所传输的控制力、力矩和PWM波，通过饱和函数处理，获得作用在螺旋桨和舵的实际输出。
2.一种基于权利要求1所述系统的水面无人艇无模型参数间歇通信饱和控制方法，其特征在于，针对水面无人艇模型进行约束和转化，并将相关模型参数以及外界干扰进行处理；引入机构故障和饱和的问题，并将模型和控制器进行相应的处理，确定事件触发的机制并设计控制器和自适应律，得到相关未知参数的估计值，对系统稳定性进行证明，证明对于无人艇模型所设计的控制器能够保证系统的渐近稳定。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征是，具体包括：
【技术特征摘要】
1.一种水面无人艇无模型参数间歇通信饱和控制系统，其特征在于，包括：事件触发检测单元、无模型估计单元以及饱和处理单元，其中：事件触发检测单元根据无人艇传感器所获取的位置、速度信息，构建滑模误差函数并设计相应无人艇事件触发机制，将无人艇状态信息以及控制指令进行离散化处理；无模型估计单元通过对于无人艇参数的估计值，运用自适应控制技术对该部分进行处理；饱和处理单元根据控制器所传输的控制力、力矩和pwm波，通过饱和函数处理，获得作用在螺旋桨和舵的实际输...
【专利技术属性】
技术研发人员：张恩华，王健，王夏爽，王幸，梁晓锋，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。