【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于水下機器人控制，尤其涉及一種輸入飽和下具有狀態約束的水下潛航器跟蹤控制方法。
技術介紹
1、水下潛航器運動控制系統是一個活躍的研究領域。其面臨的環境未知且復雜，還受到其自身的狀態量，如速度和角速度會受到物理極限值的限制。
2、這些實際問題共同影響著水下潛航器在控制性能方面的軌跡跟蹤，甚至可能導致運行不穩定的情況發生。軌跡跟蹤控制作為水下潛航器(autonomous?underwatervehicles,auv)水平面運動的主要控制技術要求，在完成作業任務中扮演著關鍵的角色。然而，外界干擾增加了auv水平面控制的難度，尤其在欠驅動的auv工作環境中，由于復雜而惡劣的條件，軌跡跟蹤變得更加困難，很容易導致跟蹤不精確，從而無法順利完成期望的任務。隨著auv的廣泛應用和智能程度的不斷提高，auv的運動控制技術取得了快速發展，使其在工程應用方面逐漸成熟。然而，由于auv模型具有非完整性和耦合性，外界環境的干擾以及在復雜場景中的應用需求，auv運動跟蹤控制技術仍然有很大的改進和提升空間。
技術實現思路
1、為了解決上述存在的問題，本專利技術提出了輸入飽和下具有狀態約束的水下潛航器跟蹤控制方法，以實現具有集總不確定性、受約束的穩態響應精確收斂。根據運動學和動力學模型建立水下三自由度的運動控制系統，然后結合固定時間控制和干擾觀測器技術設計固定時間干擾觀測器，以估計和校正系統的集總擾動，設計基于固定時間的非奇異終端滑?？刂?，引入輔助系統針對固定時間控制帶來的輸入飽和問題。采
2、本專利技術的技術方案如下：
3、輸入飽和下具有狀態約束的水下潛航器跟蹤控制方法，該方法包含以下步驟：
4、s1、基于auv的運動學模型和動力學模型，構建含有模型不確定性和未知干擾的auv控制系統，得到跟蹤目標的參考軌跡；
5、s2、通過結合誤差轉換函數，建立auv控制系統的誤差模型，在此誤差模型基礎上，將步驟s1得到的跟蹤目標的參考軌跡與auv系統的實際輸出軌跡進行比較，得到與位置跟蹤誤差相關的設計變量；同時，將auv的速度矢量與運動學模型中的控制輸入信號結合，推導出與速度跟蹤誤差相關的設計變量；
6、s3、基于步驟s2得到的與位置跟蹤誤差相關的設計變量，構造固定時間積分滑模集總擾動觀測器；
7、s4、結合步驟s3構造的固定時間積分滑模集總擾動觀測器和步驟s2得到的與速度跟蹤誤差有關的設計變量，構建軌跡跟蹤控制系統，利用連續輸入信號和位置速度自適應律設計固定時間收斂的滑模控制器。
8、進一步地，步驟s1具體為：
9、僅考慮橫蕩、縱傾和艏向三個方向的運動，通過坐標變換建立慣性坐標系和載體坐標系下物理量之間的關系：
10、
11、其中，描述了慣性坐標系下auv的速度，分別表示慣性坐標系下auv的縱向線速度、橫向線速度、艏向角速度，上標t表示矩陣的轉置；μ描述了載體坐標系下auv的速度，μ＝[u,v,r]t，其中u、v、r分別表示載體坐標系下auv的縱向線速度、橫向線速度、艏向速度，j(ψ)為旋轉矩陣且具有j-1(ψ)＝jt(ψ)和||j(ψ)||＝1的性質；
12、
13、基于auv的數學模型，建立其動力學模型如下：
14、
15、其中，為包含附加質量的慣性對稱正定矩陣；c(v)為水動力參數組成的科里奧利向心力矩陣；d(v)為阻尼系數矩陣；d表示海洋環境中產生的時變擾動和動態不確定性，τ＝[τu,τv,τr]t表示縱向控制輸入、橫向控制輸入和艏向角控制輸入，表示auv的加速度；
16、假設auv為剛體，且其外形關于水平面和縱平面對稱，重量和浮力相等且浮心位于垂直面內，忽略非線性水動力阻尼項和橫搖運動，auv完全浸沒在流體介質中，且處于全粘濕狀態。
17、進一步地，步驟s2具體為：
18、定義誤差轉換函數ρi(t)為：
19、
20、式中，表示預定的時間，t為仿真時間；ρi,0表示預設性能函數的初值，ρi,∞為預設的軌跡跟蹤穩態誤差帶的邊界；
21、在auv穩定運行的過程中，其輸出auv所在位置η，η＝[x,y,ψ]t，其中x、y、ψ分別表示慣性坐標系下auv的實時縱向線位移、實時橫向位移、實時方位角，根據輸出auv所在位置η跟蹤得到預定期望值ηd，ηd＝[xd,yd,ψd]t，其中xd、yd、ψd分別表示期望縱向位置、期望橫向位置、期望艏向角；同時保證其跟蹤誤差ei＝η-ηd-x1及誤差對時間的導數在規定的性能范圍內波動，x1為輔助向量；為了解決控制器推導中性能約束問題帶來的復雜程度，引入誤差映射函數將約束誤差轉換到無約束空間，將約束條件轉為誤差變換函數：
22、
23、其中，i＝x,y,ψ，εi(t)為新的轉換誤差，s(ε)具有光滑可逆且嚴格遞增性質，ei(t)表示期望位置和實際位置的誤差，ρi(t)表示誤差轉換函數，r為s函數的變化函數；
24、定義誤差變換函數εi(t)為：
25、
26、對上式求導得：
27、
28、其中，ρi表示誤差轉換函數，表示ρi的導數；
29、化簡上式，引入自定義變量αi和βi，且：
30、
31、
32、可得：
33、
34、進一步地，所述s3具體為：
35、設計固定時間的集總擾動觀測，引入輔助變量為auv的狀態估計值，
36、
37、其中，ξ(t)為狀態誤差變量，ξ(t)＝[ξu?ξv?ξr]t，ξu為縱向線速度狀態誤差，ξv為橫向線速度狀態誤差，ξr為旋轉角速度狀態誤差；v(t)表示系統狀態；
38、構造積分滑模面如下：
39、
40、其中，s為構造的滑模面，滿足的變量；α和β為滿足0<α<1，β>1的常數；
41、對滑模面求取導數：
42、
43、其中d為外界干擾，為預計干擾，a＞0，則對的估計值為：
44、
45、其中，s[α]＝|s|αsign(s)、s[β]＝|s|βsign(s)、k0、k1、k2均為大于0的常數，且k0滿足
46、進一步地，所述s4操作具體為：
47、對于固定時間控制技術，較快的瞬態響應導致較大的控制力或力矩來驅動auv。因此，推進器飽和更容易發生。為緩解輸入飽和問題，設計了跟隨自適應輔助系統：
48、
49、其中，x1＝[x1u,x1v,x1r]t為上文提到的輔助向量，x2＝[x2u,x2v,x2r]t是另一個輔助向量。下標u,v,r分別表示縱向線速度、橫向線速度、艏向角速度；為了保證t→∞，x1,x2趨近于0；c1，c2為設計本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種輸入飽和下具有狀態約束的水下潛航器跟蹤控制方法，其特征在于，該方法包含以下步驟：
2.根據權利要求1所述的輸入飽和下具有狀態約束的水下潛航器跟蹤控制方法，其特征在于，步驟S1具體為：
3.根據權利要求1所述的輸入飽和下具有狀態約束的水下潛航器跟蹤控制方法，其特征在于，步驟S2具體為：
4.權利要求1所述的輸入飽和下具有狀態約束的水下潛航器跟蹤控制方法，其特征在于，所述S3具體為：
5.權利要求3所述的輸入飽和下具有狀態約束的水下潛航器跟蹤控制方法，其特征在于，所述S4操作具體為：
【技術特征摘要】
1.一種輸入飽和下具有狀態約束的水下潛航器跟蹤控制方法，其特征在于，該方法包含以下步驟：
2.根據權利要求1所述的輸入飽和下具有狀態約束的水下潛航器跟蹤控制方法，其特征在于，步驟s1具體為：
3.根據權利要求1所述的輸入飽和下具有狀態約束的水下潛...
【專利技術屬性】
技術研發人員：劉萌萌，王迪，王冰，黃浩乾，王海龍，張勁峰，
申請(專利權)人：河海大學，
類型：發明
國別省市：
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