【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及無人艇軌跡跟蹤控制，具體而言，尤其涉及一種無人艇事件觸發(fā)動態(tài)平行軌跡跟蹤控制器及方法。
技術(shù)介紹
1、對海洋的深度探索、科學(xué)開發(fā)與合理利用已成為各國發(fā)展的戰(zhàn)略重點。無人艇以其小巧的體型、靈活的操作性、可擴展的功能、低風險等特點，在海洋監(jiān)視、海洋救援、目標搜索、環(huán)境測量以及軍事作戰(zhàn)等任務(wù)中得到了廣泛的應(yīng)用和部署。無人艇在執(zhí)行任務(wù)時面臨的一個核心問題是確保它能精確地進行跟蹤控制。而根據(jù)無人艇的運動場景不同，跟蹤控制可分為軌跡跟蹤、路徑跟蹤。其中，無人艇軌跡跟蹤作為無人艇跟蹤控制任務(wù)中的重要環(huán)節(jié)。其目標是使無人艇能夠精確、穩(wěn)定且自主地按照預(yù)定的時變參考軌跡航行，以達到精確控制無人艇運動狀態(tài)、完成復(fù)雜任務(wù)或滿足特定性能要求的目的。
2、近年來，無人艇軌跡跟蹤控制領(lǐng)域吸引了大量學(xué)者的廣泛關(guān)注和深入研究。例如中國專利cn11700319557a提出了一種基于在線深度學(xué)習(xí)的無人艇軌跡跟蹤控制方法，該方法根據(jù)當前時刻動態(tài)數(shù)據(jù)集收集的數(shù)據(jù)訓(xùn)練出無人艇動態(tài)模型，為無人艇的軌跡跟蹤控制器的設(shè)計提供了一個高精度的模型；中國專利cn117032258a公開了一種基擾動觀測器的低維優(yōu)化軌跡跟蹤控制方法，該方法依據(jù)線性擾動觀測器建立環(huán)境干擾的數(shù)學(xué)模型，能夠有針對性地抑制環(huán)境干擾，通過低維度優(yōu)化模型將高維擾動量轉(zhuǎn)換成低維擾動補償控制量，進而降低實時控制系統(tǒng)的計算負載，縮減控制時間，提升控制實時性，在外界環(huán)境干擾較強的復(fù)雜海況下實現(xiàn)有效軌跡跟蹤控制。
3、然而，現(xiàn)有面向無人艇的軌跡跟蹤控制方法存在以下不足：
4、
5、第二，現(xiàn)有的無人艇軌跡跟蹤控制器大多基于代數(shù)關(guān)系，通過計算當前系統(tǒng)狀態(tài)與期望狀態(tài)之間的誤差，確定控制信號。并沒有考慮系統(tǒng)狀態(tài)的變化率或?qū)?shù)信息。
6、第三，傳統(tǒng)的軌跡跟蹤控制策略通常是基于真實船舶狀態(tài)而設(shè)計的，但這些方法往往沒有涉及虛擬空間與物理空間之間的信息交互，并且未能將復(fù)雜的軌跡跟蹤問題擴展到虛擬空間，降低了實驗的可重復(fù)性。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、有鑒于此，本專利技術(shù)的目的在于提出一種無人艇事件觸發(fā)動態(tài)平行軌跡跟蹤控制器及方法，以克服現(xiàn)有無人艇系統(tǒng)未考慮非周期通信和系統(tǒng)狀態(tài)信息突變等技術(shù)問題。
2、本專利技術(shù)采用的技術(shù)手段如下：
3、一種無人艇事件觸發(fā)動態(tài)平行軌跡跟蹤控制器，用以對實際無人艇系統(tǒng)進行控制，其特征在于：包括人工無人艇系統(tǒng)、第一靜態(tài)事件觸發(fā)器、第二靜態(tài)事件觸發(fā)器、平行軌跡跟蹤動態(tài)控制器和實際控制器；
4、所述人工無人艇系統(tǒng)接收第一靜態(tài)事件觸發(fā)器發(fā)送的觸發(fā)后的位置和艏搖角信息ηc、速度信息vc、加速度信息kc，所述人工無人艇系統(tǒng)接收第二靜態(tài)事件觸發(fā)器發(fā)送的觸發(fā)后的控制輸入τνc，所述人工無人艇系統(tǒng)發(fā)送狀態(tài)信息系統(tǒng)總擾動估計值以及建模誤差估計值至平行軌跡跟蹤動態(tài)控制器；
5、所述實際無人艇系統(tǒng)接收實際控制器發(fā)送的觸發(fā)后的控制輸入τνc，所述實際無人艇系統(tǒng)發(fā)送實際無人艇的位置和艏搖角信息η、速度信息v、加速度信息k至第一靜態(tài)事件觸發(fā)器，所述實際無人艇系統(tǒng)發(fā)送位置和艏搖角信息η、速度信息v至實際控制器；
6、所述實際控制器接收實際無人艇系統(tǒng)發(fā)送的位置和艏搖角信息η、速度信息v，所述實際控制器接收第二靜態(tài)事件觸發(fā)器發(fā)送的觸發(fā)后的控制輸入τνc，所述實際控制器發(fā)送觸發(fā)后的控制輸入τνc至實際無人艇系統(tǒng)；
7、所述平行軌跡跟蹤動態(tài)控制器接收給定時變軌跡ηd、人工無人艇系統(tǒng)發(fā)送的狀態(tài)信息系統(tǒng)總擾動估計值以及建模誤差估計值所述平行軌跡跟蹤動態(tài)控制器發(fā)送控制輸入τν至第二靜態(tài)事件觸發(fā)器；
8、所述第一靜態(tài)事件觸發(fā)器接收實際無人艇系統(tǒng)發(fā)送的實際無人艇的位置和艏搖角信息η、速度信息v、加速度信息k，所述第一靜態(tài)事件觸發(fā)器發(fā)送觸發(fā)后的位置和艏搖角信息ηc、速度信息vc、加速度信息kc至人工無人艇系統(tǒng)；
9、所述第二靜態(tài)事件觸發(fā)器接收平行軌跡跟蹤動態(tài)控制器發(fā)送的控制輸入τν，所述第二靜態(tài)事件觸發(fā)器發(fā)送觸發(fā)后的控制輸入τνc至實際控制器，所述第二靜態(tài)事件觸發(fā)器發(fā)送觸發(fā)后的控制輸入τνc至人工無人艇系統(tǒng)。
10、進一步地，考慮實際無人艇的三自由度操縱模型，所述實際無人艇系統(tǒng)的運動學(xué)和動力學(xué)方程表示為：
11、
12、其中，η＝[x,y,ψ]t表示無人艇的位置和艏搖角；ν＝[u,v,r]t表示無人艇的縱蕩、橫蕩和艏搖角速度；f(ν)＝[fu,fv,fr]t表示由向心力、阻尼力引起的未建模動態(tài)；表示無人艇的質(zhì)量慣性矩陣；τν＝[τu,τv,τr]t表示控制輸入；τω＝[τωu,τωv,τωr]t表示外部環(huán)境擾動；k＝[ku,kv,kr]t表示無人艇加速度信息；r(ψ)＝[cos(ψ),-sin(ψ),0；sin(ψ),cos(ψ),0；0,0,1]表示旋轉(zhuǎn)矩陣；[·]t表示向量的轉(zhuǎn)置。
13、進一步地，所述人工無人艇系統(tǒng)的設(shè)計步驟如下：
14、利用傅里葉級數(shù)定理和泰勒多項式定理逼近未知總擾動項，將實際無人艇系統(tǒng)的動力學(xué)模型重寫為：
15、
16、其中，表示權(quán)重，σ＝[σu,σv,σr]t表示建模誤差，m*是m的標稱矩陣，
17、表示基函數(shù)；
18、所述人工無人艇系統(tǒng)設(shè)計如下：
19、
20、其中，是η,ν,σ,w的觀測值；是正定系數(shù)矩陣；是可調(diào)增益；ηc＝[xc,yc,ψc]t，νc＝[uc,vc,rc]t，kc＝[kuc,kvc,krc]t分別為η、ν和k觸發(fā)后的狀態(tài)。
21、進一步地，所述第一靜態(tài)事件觸發(fā)器的觸發(fā)機制如下：
22、
23、其中，分別表示η,ν,k的測量誤差；0＜ξα＜1,分別表示對應(yīng)事件觸發(fā)閾值；δα為設(shè)定的小常數(shù)；表示下一個觸發(fā)時刻，表示最后觸發(fā)的時刻，設(shè)定
24、進一步地，所述平行軌跡跟蹤動態(tài)控制器設(shè)計步驟如下：
25、首先分別定義實際無人艇在t時刻的跟蹤誤差、人工無人艇在t時刻的跟蹤誤差以及人工無人艇在t+t時刻的跟蹤誤差如下所示：
26、
27、所述平行軌跡跟蹤動態(tài)控制器設(shè)計如下：
28、
29、其中，p矩陣為：
30、
31、進一步地，所述第二靜態(tài)事件觸發(fā)器的觸發(fā)機制如下：
32、
33、其中，為測量誤差；為事件觸發(fā)閾值。
34、本專利技術(shù)還提供了一種無人艇事件觸發(fā)動態(tài)平行軌跡跟蹤控制方法，基于上述任意一項無人艇事件觸發(fā)動態(tài)平行軌跡跟蹤控制器實現(xiàn)，包括如下步驟：
35、在t時刻，將實際無人艇的位置和艏搖角信息η、速度信息v、加速度信息k送入第一靜態(tài)事件觸發(fā)器；
36、在滿足觸發(fā)條件時第一靜態(tài)事件觸本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
1.一種無人艇事件觸發(fā)動態(tài)平行軌跡跟蹤控制器，用以對實際無人艇系統(tǒng)進行控制，其特征在于：包括人工無人艇系統(tǒng)、第一靜態(tài)事件觸發(fā)器、第二靜態(tài)事件觸發(fā)器、平行軌跡跟蹤動態(tài)控制器和實際控制器；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無人艇事件觸發(fā)動態(tài)平行軌跡跟蹤控制器，其特征在于，考慮實際無人艇的三自由度操縱模型，所述實際無人艇系統(tǒng)的運動學(xué)和動力學(xué)方程表示為：
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無人艇事件觸發(fā)動態(tài)平行軌跡跟蹤控制器，其特征在于，所述人工無人艇系統(tǒng)的設(shè)計步驟如下：
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無人艇事件觸發(fā)動態(tài)平行軌跡跟蹤控制器，其特征在于，所述第一靜態(tài)事件觸發(fā)器的觸發(fā)機制如下：
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無人艇事件觸發(fā)動態(tài)平行軌跡跟蹤控制器，其特征在于，所述平行軌跡跟蹤動態(tài)控制器設(shè)計步驟如下：
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無人艇事件觸發(fā)動態(tài)平行軌跡跟蹤控制器，其特征在于，所述第二靜態(tài)事件觸發(fā)器的觸發(fā)機制如下：
7.一種無人艇事件觸發(fā)動態(tài)平行軌跡跟蹤控制方法，基于權(quán)利要求1-6中任意一項權(quán)利要求所述的無人艇事件觸發(fā)動態(tài)平行軌跡跟蹤控制器
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種無人艇事件觸發(fā)動態(tài)平行軌跡跟蹤控制器，用以對實際無人艇系統(tǒng)進行控制，其特征在于：包括人工無人艇系統(tǒng)、第一靜態(tài)事件觸發(fā)器、第二靜態(tài)事件觸發(fā)器、平行軌跡跟蹤動態(tài)控制器和實際控制器；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無人艇事件觸發(fā)動態(tài)平行軌跡跟蹤控制器，其特征在于，考慮實際無人艇的三自由度操縱模型，所述實際無人艇系統(tǒng)的運動學(xué)和動力學(xué)方程表示為：
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無人艇事件觸發(fā)動態(tài)平行軌跡跟蹤控制器，其特征在于，所述人工無人艇系統(tǒng)的設(shè)計步驟如下：
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：彭周華，徐加雪，李章旭，古楠，王浩亮，寧君，王安青，劉陸，王丹，
申請(專利權(quán))人：大連海事大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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