一种避免微分爆炸的UUV轨迹跟踪控制方法技术

本发明专利技术利用生物启发模型的微分输出特性，提供一种避免微分爆炸的UUV轨迹跟踪控制方法。包括以下步骤：步骤1：初始化；步骤2：利用欠驱动UUV的数学模型得出位置、姿态误差变量；步骤3：计算虚拟控制律，并利用生物启发模型输出值代替虚拟期望控制律；步骤4：构造Lyapunov函数将位置误差的镇定转移到对速度误差的镇定上，利用生物启发模型输出代替虚拟控制量的实时求导避免微分爆炸现象，实现速度误差的镇定；步骤5：设计轨迹跟踪控制器。本发明专利技术方法能够避免传统反步法中由反复求导导致的微分爆炸现象，简化控制器的复杂性；同时，结合生物启发模型的控制器满足推进器的推力约束和欠驱动UUV三维轨迹跟踪对位置、速度以及姿态的时间约束要求。

【技术实现步骤摘要】
一种避免微分爆炸的UUV轨迹跟踪控制方法
本专利技术涉及的是一种欠驱动水下无人航行器的控制方法，特别是涉及一种避免微分爆炸的欠驱动UUV空间轨迹跟踪反步控制方法。
技术介绍
水下无人航行器(UnmannedUnderwaterVehicle,UUV)的空间轨迹跟踪控制能力是实现海洋勘探的保障。所研究的欠驱动系统一方面可以使UUV硬件系统的设计得到相当大程度的简化；同时，当全驱动UUV的部分辅助推进装置出现故障里，UUV变为欠驱动系统，设计的欠驱动UUV轨迹跟踪控制方法依然可以保障任务最大限度地完成，这大大提高了全驱动系统的可靠性。综上，对于欠驱动UUV空间轨迹跟踪控制方法的研究非常重要。本专利技术所涉及到的欠驱动UUV在垂向和横向上缺少推进装置，加之UUV空间轨迹为六自由度运动，使得欠驱动UUV模型具有高度耦合性和非线性的特性。主流的控制方法分为两大类：其一是设计解耦的子系统以及线性化处理，但不能保证系统在线性化工作点的全局稳定；其二是通过非线性控制方法进行控制。本专利技术所涉及的非线性控制方法是基于李雅普诺夫理论的非线性反步控制方法，它能有效实现对欠驱动UUV的直接非线性控制。反步法将一个复杂的非线性系统划分为若干个迭代子系统，通过设计中间虚拟控制函数并逐步计算出中间虚拟控制量的导数，然后逐级的引入后续的子系统，实现对前级子系统的镇定，进而实现整个被控系统的渐进稳定。对中间虚拟控制量的解析求导会导致“微分爆炸”现象和控制器设计复杂问题，不仅会影响控制精度，还会出现执行机构输入饱和问题。针对三维轨迹跟踪控制，文献《SpatialPathFollowingforAUVsUsingAdaptiveNeuralNetworkControllers》(MathematicalProblemsinEngineering.2013,第9期.)使用三个神经网络设计控制器，克服参数的不确定性和环境扰动，实现了AUV的空间轨迹跟踪，但是神经网络的学习需要时间。文献《Position-trackingcontrolofunderactuatedautonomousunderwatervehiclesinthepresenceofunknownoceancurrents》(IETControlTheoryandApplications.2010,第4卷第11期)通过虚拟速度误差变量的定义简化了传统反步法的计算过程，完成欠驱动AUV的平面轨迹跟踪控制。文献《Three-dimensionalstraightlinepath-trackingcontrolforunderactuatedunderwatervehicle》(ControlTheoryandApplications.2013,第30卷第4期)通过合理地选择控制器参数来消除一些非线性项，与传统的反步法设计过程相比，它简化了虚拟控制形式，但仍然需要逐步对虚拟控制量解析求导。文献《Three-dimensionalPath-followingControlofUnderactuatedAutonomousUnderwaterVehiclewithCommandFilteredBackstepping》(自动化学报.2015,第41卷第3期)使用滤波反步法简化了推导过程并消除了高频噪声，实现了欠驱动AUV的三维轨迹跟踪控制。在上述反步法中，忽略了时变轨迹对速度和姿态控制的影响。然而，在引入中间虚拟控制变量之后，导数运算将使控制器设计变得非常复杂，影响控制精度，甚至使执行机构产生输入饱和问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能简化计算量和控制器的复杂性，提高系统的控制性能和鲁棒性，可以实现对欠驱动UUV三维轨迹的精确跟踪控制的避免微分爆炸的UUV轨迹跟踪控制方法。本专利技术的目的是这样实现的：步骤1、初始化，UUV通过所搭载的导航设备和传感器采集数据，获得当前的位置X(t)＝[x(t),y(t),z(t)]T信息、姿态[θ(t),ψ(t)]T信息、速度V(t)＝[u(t),v(t),ω(t),q(t),r(t)]T信息，同时将期望轨迹位置信息给定UUV；步骤2、利用步骤1中的信息，通过欠驱动UUV的数学模型和轨迹跟踪误差模型，计算出实际轨迹与期望轨迹之间的位置误差和期望姿态，将地面坐标信息转换为船体坐标信息；步骤3、基于步骤2中计算出的位置误差，采用定义虚拟速度误差变量的方法，将姿态跟踪控制转化为速度控制，计算出纵向速度虚拟控制律ud、纵倾角速度虚拟控制律qd和艏向角速度虚拟控制律rd，并将虚拟期望控制律ud,v1d,w1d用三个生物启发模型的输出量uf,v1f,w1f代替；步骤4、结合步骤2和步骤3中的数据，通过构造Lyapunov函数将位置误差的镇定转移到对速度误差的镇定上，然后分别通过动力模型中的实际控制τu,τr,τq消除速度误差eu,er,eq，通过虚拟控制输入r,q消除虚拟速度误差ev1,ew1；步骤5、推导避免微分爆炸的欠驱动UUV空间轨迹跟踪控制器，包括纵向控制力矩τu的控制信号、纵倾控制力矩τq和艏摇控制力矩τr的控制信号，计算出外界扰动自适应控制律，实现在外界常值扰动下对欠驱动UUV空间轨迹跟踪控制。本专利技术还可以包括：1、所述欠驱动UUV的数学模型包括运动学模型、动力学模型、位置与姿态误差、三维轨迹跟踪误差模型与期望姿态的表达式分别为:运动学模型：动力学模型：式中：d11＝Xu+Xu|u||u|；d22＝Yv+Yv|v||v|；d33＝Zw+Zw|w||w|；d55＝Mq+Mq|q||q|；d66＝Nr+Nr|r||r|；Xu,Xu|u|,Yv,Yv|v|,Zw，Zw|w|,Mq,Mq|q|,Nr,Nr|r|为水动力参数和阻尼项，B为UUV在水中所受到的浮力，为纵向稳心高，ω＝[ωu,ωv,ωw,ωq,ωr]T为恒定外界干扰；位置与姿态误差：三维轨迹跟踪误差模型：其中，期望姿态：2、虚拟速度误差变量v1、w1，纵向速度虚拟控制律ud，纵倾角速度虚拟控制律qd，艏摇角速度虚拟控制律rd和生物启发模型的表达式分别为：虚拟速度误差变量及其控制律为：纵向速度虚拟控制律：ud＝-k1ex/e+vpsinθdsinθ+vtcosθcoseψ其中，k1,k2,k3为正常数，艏向角、纵倾角速度虚拟控制律：其中，k5,k7为正常数；生物启发模型为：其中，参数Ai,i＝1,2,3是正常数，为模型的输出量的衰减率；正常数Bi和Di分别为模型的输出量的上限和下限；函数f(·)和g(·)定义为变量a的线性函数f(a)＝max{a,0}和g(a)＝max{-a,0}。3、Lyapunov函数，速度误差和虚拟速度误差的表达式分别为：Lyapunov函数为：速度误差为：虚拟速度误差为：4、Lyapunov函数的导数和空间轨迹跟踪控制器的表达式分别为：Lyapunov函数的导数为：其中，k4,k6为正常数，空间轨迹跟踪控制器为：针对已有技术中存在的问题，本专利技术提出了一种避免微分爆炸的空间轨迹跟踪反步控制方法。该方法创新性地结合反步控制方法引入生物启发模型，利用生物启发模型的微分输出值，代替反步法控制中对虚拟控制量的实时数值求导，避免了对虚拟控制量的反复求导，简化了计算量和控制器的复杂本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种避免微分爆炸的UUV轨迹跟踪控制方法，其特征是：步骤1、初始化，UUV通过所搭载的导航设备和传感器采集数据，获得当前的位置X(t)＝[x(t),y(t),z(t)]

【技术特征摘要】
1.一种避免微分爆炸的UUV轨迹跟踪控制方法，其特征是：步骤1、初始化，UUV通过所搭载的导航设备和传感器采集数据，获得当前的位置X(t)＝[x(t),y(t),z(t)]T信息、姿态[θ(t),ψ(t)]T信息、速度V(t)＝[u(t),v(t),ω(t),q(t),r(t)]T信息，同时将期望轨迹位置信息给定UUV；步骤2、利用步骤1中的信息，通过欠驱动UUV的数学模型和轨迹跟踪误差模型，计算出实际轨迹与期望轨迹之间的位置误差和期望姿态，将地面坐标信息转换为船体坐标信息；步骤3、基于步骤2中计算出的位置误差，采用定义虚拟速度误差变量的方法，将姿态跟踪控制转化为速度控制，计算出纵向速度虚拟控制律ud、纵倾角速度虚拟控制律qd和艏向角速度虚拟控制律rd，并将虚拟期望控制律ud,v1d,w1d用三个生物启发模型的输出量uf,v1f,w1f代替；步骤4、结合步骤2和步骤3中的数据，通过构造Lyapunov函数将位置误差的镇定转移到对速度误差的镇定上，然后分别通过动力模型中的实际控制τu,τr,τq消除速度误差eu,er,eq，通过虚拟控制输入r,q消除虚拟速度误差步骤5、推导避免微分爆炸的欠驱动UUV空间轨迹跟踪控制器，包括纵向控制力矩τu的控制信号、纵倾控制力矩τq和艏摇控制力矩τr的控制信号，计算出外界扰动自适应控制律，实现在外界常值扰动下对欠驱动UUV空间轨迹跟踪控制。2.根据权利要求1所述的避免微分爆炸的UUV轨迹跟踪控制方法，其特征是所述欠驱动UUV的数学模型包括运动学模型、动力学模型、位置与姿态误差、三维轨迹跟踪误差模型与期望姿态的表达式分别为:运动学模型：动力学模型：式中：d11＝Xu+Xu|u...

【专利技术属性】
技术研发人员：何东旭，周佳加，叶丁绮，赵俊鹏，张耕实，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23