一种基于非线性控制理论的无人艇轨迹跟踪控制装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供的是一种欠驱动无人艇自适应轨迹跟踪控制装置及控制方法。本装置包括参考路径生成器、状态传感器、微分变换器、参数估计器、虚拟控制器以及纵向推力与转艏力矩控制器。状态传感器(2)采集的无人艇实际位置和航向角以及参考路径生成器(1)产生的参考位置和参考航向角信息，通过微分变换器(5)得到新的状态变量，然后将新的状态变量及传感器(4)采集的速度和角速度信息，传递给参数估计器(8)和纵向推力及转艏力矩控制器(12)，通过计算得到控制指令去驱动执行机构，调整无人艇的纵向推力和转艏力矩。本发明专利技术能够实现在指定时间按指定速度到达指定位置。由于本发明专利技术考虑的无人艇是欠驱动的，可以减少系统的能源消耗和制造成本，减少系统的重量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于非线性控制理论的无人艇轨迹跟踪控制装置及方法
本专利技术是一种无人艇轨迹跟踪控制装置及方法。具体地说是一种基于非线性控制理论的无人艇轨迹跟踪控制装置及方法。
技术介绍
水面无人艇是一种具有自主规划、自主航行能力,并可自主完成环境感知、目标探测等任务的小型水面平台,可承担情报收集、监视侦察、扫雷、反潜、精确打击、搜捕、水文地理勘察,反恐,中继通信等功能。无人艇根据使命的不同，可采用多种不同的模块，搭载不同的传感器或执行设备,执行任务也显示出多样性。无人艇航行中，航速变化会引起船体运动模型参数变化而产生不确定性。而风、流、浪的作用，则会产生相应的干扰力和力矩。此外，测量传感误差也会形成相应的扰动。这些都会增加无人艇轨迹跟踪的难度，航行时间的延长甚至可能引发海难。因此，无人艇轨迹控制已成为无人艇运动控制的重要研究内容之一。无人艇的轨迹跟踪系统是欠驱动的，其原因主要有以下几个方面：(1)减少成本和重量。对于水面无人艇来说，推进器的成本很高而且消耗系统的能源较大，因而现在大多数水面无人艇是欠驱动力的。(2)推进效率的影响。当全驱动水面无人艇前进速度增加时，推进器的推力减额将越来越严重，该自由度上的运动很难预测。(3)系统可靠性的需要。当全驱动系统的一个或多个推进装置驱动失败或失灵时，完全驱动变成欠驱动。轨迹跟踪控制问题的难点在于要求系统在指定时间到达指定位置，它的实现要比路径跟踪困难得多，对于全驱动系统，轨迹跟踪问题已经能够较好解决，而无人艇由于系统的独立控制输入量少于其自由度，使系统具有不可积的加速度约束，并且无人艇的运动学和动力学模型具有高度非线性和耦合性，使控制设计更加困难。无人艇的轨迹跟踪控制的典型方法是利用多变量模型的局部线性化和解耦使系统自由度与控制输入自由度相等，然后利用线性或非线性控制方法设计控制器。然而，这些方法只能保证在选定的运行点邻域内是稳定的。基于李雅普诺夫的非线性设计可以克服上述限制。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对已有技术存在的缺陷,提供一种能够在惯性质量参数和水动力参数未知情况下基于非线性控制理论的无人艇轨迹跟踪控制装置及方法，实现欠驱动无人艇的轨迹跟踪控制，即在指定时间内按指定速度到达指定位置的欠驱动无人艇轨迹跟踪控制装置。为了达到上述目的，本专利技术的构思是：无人艇轨迹跟踪控制装置，包括参考路径生成器、微分变换器、纵向速度虚拟控制器、艏摇角速度虚拟控制器、参数估计器、纵向推力及转艏力矩控制器，其特征是：状态传感器采集的无人艇实际位置和航向角以及参考路径生成器产生的参考位置和参考航向角信息，通过微分变换器得到新的状态变量，然后将新的状态变量及传感器采集的速度和角速度信息，传递给参数估计器和纵向推力及转艏力矩控制器，通过解算得到控制指令去驱动执行机构，调整无人艇的纵向推力和转艏力矩。根据上述专利技术构思，本专利技术采用下述技术方案：一种基于非线性控制理论的无人艇轨迹跟踪控制装置，如图1描述包括参考路径生成器、状态传感器、微分变换器、参数估计器、虚拟控制器、纵向推力及转艏力矩控制器，其特征是：所述参考路径生成器和状态传感器的输出依次经微分变换、虚拟控制器、参数估计器和纵向推力及传感器接输出口；所述纵向推力及转艏力矩控制器的输出还连接至状态传感器，状态传感器的输出还连接至虚拟控制器；状态传感器采集的无人艇实际位置和航向角以及参考路径生成器产生的参考位置和参考航向角信息，通过微分变换器得到新的状态变量，然后将新的状态变量及传感器采集的速度和角速度信息，传递给参数估计器和纵向推力及转艏力矩控制器，通过解算得到控制指令去驱动执行机构，调整无人艇的纵向推力和转艏力矩。所述虚拟控制器包括纵向速度虚拟控制器和转艏角速度虚拟控制器。所述参考路径生成器通过给定期望纵向速度和艏摇角速度，将产生的位置、航向角信息传递给微分变换器的同时将期望侧向速度信号反馈给参数估计器和角速度虚拟控制器。所述状态传感器包括位置、角度传感器和线速度、角速度传感器，其连接关系按图1描述；位置、角度传感器采集的信息传递给微分变换器，线速度、角速度传感器采集的信息同时传递给纵向推力及转艏力矩控制器和参数估计器。所述纵向速度虚拟控制器的输出连接至参数估计器，从而根据新的状态变量信息及参考线速度、参考艏摇角速度信息得到线速度虚拟控制量，然后将该量传递给参数估计器。所述角速度虚拟控制器根据参考线速度、角速度、实际线速度、角速度、中间状态变量、新的状态变量信息，产生角速度虚拟控制量，然后将该量传递给参数估计器。所述参数估计器根据参考速度、实际速度及新的状态变量信息，通过李亚普诺夫直接法产生参数的估计值，并将这些信息传递给纵向推力及转艏力矩控制器。所述纵向推力及转艏力矩控制器包括纵向推力控制器和转艏力矩控制器，针对跟踪误差动态方程根据参考纵向速度、参考艏摇角速度、新的状态变量、参数估计值、实际的线速度和角速度信息，通过李亚普诺夫法和反步法解算出纵向推力和转艏力矩信息传递给无人艇的执行机构，调整无人艇的位置、航向和速度。一种基于非线性控制理论的无人艇轨迹跟踪控制方法，采用上述装置进行操作，其特征在于操作步骤如下：a．参考路径生成器通过参考输入产生期望轨迹，得到期望的位置、航向角和速度信息；b．位置传感器采集无人艇的位置、航向角信息，将期望的位置、航向角和当前的状态信息一起传递给微分变换器；c．微分变换器包括大地坐标到船体坐标变换器和欠驱动项补偿器，大地坐标到船体坐标变换器得到船体坐标系下的状态变量，并将该中间变量信息传递给欠驱动项补偿器，然后由欠驱动项补偿器得到新的状态变量；d．虚拟控制器包括纵向线速度虚拟控制和艏摇角速度虚拟控制，线速度控制器根据新的状态变量信息、参考纵向速度、参考艏摇角速度信息产生线速度虚拟控制量，并同时传递给参数估计器和纵向推力控制器；艏摇角速度虚拟控制器根据中间状态变量、参考线速度、角速度、新的状态变量信息产生角速度虚拟控制量，传递给参数估计器；e．参数估计器利用李亚普诺夫直接法将产生的参数估计值传递给纵向推力控制器和转艏力矩控制器；f．控制器通过李亚普诺夫法和反步法解算出纵向推力和转艏力矩量传递给无人艇的执行机构，调整无人艇的位置、航向、速度。本专利技术与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：无需已知水动力阻尼参数，实现无人艇在指定时间按指定速度到达指定位置。由于本专利技术考虑的无人艇是欠驱动的，可以减少系统的能源消耗和制造成本，减少系统的重量，提高推进效率。并且当全驱动系统的一个或多个推进装置驱动失败或失灵时，可以保证无人艇的可靠运行。附图说明图1表示本专利技术所述的系统控制装置的结构图图2表示无人艇轨迹跟踪仿真示意图。具体实施方式下面对本专利技术优选实施例结合附图进行详细描述实施例一：参见图1，本基于非线性控制理论的无人艇轨迹跟踪控制装置，包括参考路径生成器（1）、状态传感器（2）、微分变换器（5）、参数估计器（8）、虚拟控制器（9）、纵向推力及转艏力矩控制器（12），其特征是：所述参考路径生成器（1）和状态传感器（2）的输出依次经微分变换（5）、虚拟控制器（9）、参数估计器（8）和纵向推力及传感器（12）接输出口；所述纵向推力及转艏力矩控制器（12）的输出还连接至状态传感器（2），状态传感器（2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于非线性控制理论的无人艇轨迹跟踪控制装置，包括参考路径生成器（1）、状态传感器（2）、微分变换器（5）、参数估计器（8）、虚拟控制器（9）、纵向推力及转艏力矩控制器（12），其特征是：所述参考路径生成器（1）和状态传感器（2）的输出依次经微分变换（5）、虚拟控制器（9）、参数估计器（8）和纵向推力及传感器（12）接输出口；所述纵向推力及转艏力矩控制器（12）的输出还连接至状态传感器（2），状态传感器（2）的输出还连接至虚拟控制器（9）；状态传感器（2）采集的无人艇实际位置和航向角以及参考路径生成器（1）产生的参考位置和参考航向角信息，通过微分变换器（5）得到新的状态变量，然后将新的状态变量及传感器采集的速度和角速度信息，传递给参数估计器（8）和纵向推力及转艏力矩控制器（12），通过解算得到控制指令去驱动执行机构，调整无人艇的纵向推力和转艏力矩。

【技术特征摘要】
1.一种基于非线性控制理论的无人艇轨迹跟踪控制装置，包括参考路径生成器（1）、状态传感器（2）、微分变换器（5）、参数估计器（8）、虚拟控制器（9）、纵向推力及转艏力矩控制器（12），其特征是：所述参考路径生成器（1）和状态传感器（2）的输出依次经微分变换器（5）、虚拟控制器（9）、参数估计器（8）和纵向推力及转艏力矩控制器（12）接输出口；所述纵向推力及转艏力矩控制器（12）的输出还连接至状态传感器（2），状态传感器（2）的输出还连接至虚拟控制器（9）；状态传感器（2）采集的无人艇实际位置和航向角以及参考路径生成器（1）产生的参考位置和参考航向角信息，通过微分变换器（5）得到新的状态变量，然后将新的状态变量及传感器采集的速度和角速度信息，传递给参数估计器（8）和纵向推力及转艏力矩控制器（12），通过解算得到控制指令去驱动执行机构，调整无人艇的纵向推力和转艏力矩；所述虚拟控制器（9）包括纵向速度虚拟控制器（10）和转艏角速度虚拟控制器（11）；所述参考路径生成器（1）通过给定参考纵向速度和艏摇角速度，将产生的位置、航向角信息传递给微分变换器（5）的同时将参考侧向速度信号反馈给参数估计器（8）和转艏角速度虚拟控制器（11）。2.根据权利要求1所述的基于非线性控制理论的无人艇轨迹跟踪控制装置，其特征是：所述状态传感器（2）包括位置、角度传感器（3）和线速度、角速度传感器（4）；所述位置、角度传感器（3）的输出连接微分变换器（5）并将采集的信息传递给微分变换器（5），所述线速度、角速度传感器（4）的输出经虚拟控制器（9）后再经参数估计器（8）连接至纵向推力及转艏力矩控制器（12）；从而将采集的信息同时传递给纵向推力及转艏力矩控制器（12）和参数估计器（8）。3.根据权利要求2所述的基于非线性控制理论的无人艇轨迹跟踪控制装置，其特征是：所述纵向速度虚拟控制器（10）的输出连接至参数估计器（8）从而根据新的状态变量信息及参考线速度、参考艏摇角速度信息得到线速度虚拟控制量，然后将该量传递给参数估计器（8）。4.根据权利要求3所述的基于非线性控制理论的无人艇轨迹跟踪控制装置，其特征是：所述转艏角速度虚拟控制器（11）根据参考线速度、参考角速度、实际线速度、实际角速度、中间状态变量、新的状态变量信息，产生角速度虚拟控制量...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗均，王德超，彭艳，谢少荣，李恒宇，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海;31