The invention discloses a USV trajectory tracking backstepping sliding mode control method. The method includes: establishing USV horizontal motion model, generating error variable according to the USV horizontal motion model, calculating virtual control law according to the error variable, constructing sliding mode compensation controller and adaptive controller by using the error variable and virtual control law, and obtaining the sliding mode compensation control respectively. The output of the controller and the output of the adaptive controller are used to construct a trajectory tracking controller to realize the trajectory tracking control of underactuated USV under time-varying disturbances. The invention can avoid the singular value of the angle of the bow angle when it is a right angle, and has the advantage of strong robustness.
【技术实现步骤摘要】
一种USV轨迹跟踪反步滑模控制方法
本专利技术涉及无人水面艇控制技术，尤其涉及一种USV轨迹跟踪反步滑模控制方法。
技术介绍
无人水面艇(UnmannedSurfaceVehicle，USV)的轨迹跟踪控制能力是实现搜索、搜救、反潜作战、巡逻以及回收等任务的技术基础。轨迹跟踪不仅要满足路径的约束，还要求控制律能够引导USV的实际轨迹收敛到具有时间约束特性的参考轨迹上，加之欠驱动特性、非线性以及外界环境的扰动等，使得欠驱动USV轨迹跟踪控制问题具有特有的难点。在实际应用中，USV常常需要完成一些具有时间约束要求的跟踪任务，因此，轨迹跟踪控制方法具有极大的应用价值。USV的轨迹跟踪控制问题已成为国内外研究的热点。与其它控制方法相比，反步滑模控制方法继承了反步法控制精度高和滑模控制方法鲁棒性好的特点。基于反步法思想设计中间分层系统时，必须要逐级的计算出中间虚拟控制量，然后逐级的引入后续的子系统，并让系统误差收敛于滑模面。然而在已有的基于反步滑模思想设计控制器的方法中，会出现奇异值的现象，进而超出控制力矩的输出范围，导致控制失效。专利《一种基于动态滑模控制的轨迹跟踪方法》...
【技术保护点】
1.一种USV轨迹跟踪反步滑模控制方法，其特征在于：包括如下步骤：建立USV水平面运动模型，生成误差变量；根据所述误差变量，解算出用于运动控制的虚拟控制律；利用所述误差变量和虚拟控制律，构造用于补偿外界时变扰动的滑模补偿控制器和自适应控制器，并分别获取所述滑模补偿控制器的输出和所述自适应控制器的输出；利用所述滑模补偿控制器的输出和所述自适应控制器的输出，构造轨迹跟踪控制器，以实现在外界时变扰动下对欠驱动USV的轨迹跟踪控制。
【技术特征摘要】
1.一种USV轨迹跟踪反步滑模控制方法，其特征在于：包括如下步骤：建立USV水平面运动模型，生成误差变量；根据所述误差变量，解算出用于运动控制的虚拟控制律；利用所述误差变量和虚拟控制律，构造用于补偿外界时变扰动的滑模补偿控制器和自适应控制器，并分别获取所述滑模补偿控制器的输出和所述自适应控制器的输出；利用所述滑模补偿控制器的输出和所述自适应控制器的输出，构造轨迹跟踪控制器，以实现在外界时变扰动下对欠驱动USV的轨迹跟踪控制。2.根据权利要求1所述的一种USV轨迹跟踪反步滑模控制方法，其特征在于：所述USV的水平面运动模型为：其中式中，x、y分别为USV在固定坐标系O-xyz下的Ox轴方向上的纵向位置矢量和Oy轴方向上的横向位置矢量；u、v、r分别为USV的纵向速度、横向速度和艏摇角速度；ψ为USV的艏摇角；m为USV的总质量，和分别为x轴方向上的附加质量、y轴方向上的附加质量和力矩方向上的附加质量；Xu、Xu|u|均为x轴方向上的无因次水动力系数；Yv、Yv|v|均为y轴方向上的无因次水动力系数；Nr、Nr|r|均为力矩方向上的无因次水动力力矩系数；ω1、ω2、ω3分别为固定坐标系O-xyz下外界扰动对USV在x轴、y轴和力矩自由度上的分量；u1和u2分别表示USV的纵向推力和横向控制力矩；为x的导数，为y的导数，为ψ的导数，为u的导数，为v的导数，为r的导数。3.根据权利要求1所述的一种USV轨迹跟踪反步滑模控制方法，其特征在于：所述误差变量包括轨迹跟踪位置误差模型Pe(t)、姿态误差模型ψe(t)和速度误差模型Ve(t)；所述轨迹跟踪位置误差模型Pe(t)＝(ex,ey)为：ψ为USV的艏摇角；x、y分别为USV在固定坐标系O-xyz下的Ox轴方向上的纵向位置矢量和Oy轴方向上的横向位置矢量；xd为期望纵向位置变量，yd为期望横向位置变量；ex为纵向位置矢量误差模型，ey为横向位置矢量误差模型；所述姿态误差模型ψe(t)为：ψe＝ψ-ψd其中式中，ψe为姿态误差，ψd为期望姿态，xd为期望纵向位置变量，yd为期望横向位置变量；为期望横向位置变量yd的导数，为期望纵向位置变量xd的导数；所述速度误差模型Ve(t)＝(eu,er,eα)为：其中α＝vpsin(ψe)式中，eu为纵向速度误差模型，er为角速度误差模型，eα为虚拟速度误差模型，u、r分别为USV的纵向速度和USV的艏摇角速度；α为USV的虚拟速度误差模型；ud为纵向速度虚拟控制律、rd艏摇角速度虚拟控制律，αd虚拟速度控制律；vp为总...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵俊鹏，贾鹤鸣，
申请(专利权)人：北京航天控制仪器研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11
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