一种基于模型预测控制的欠驱动水面船轨迹跟踪控制方法技术

本发明专利技术涉及一种基于模型预测控制的欠驱动水面船轨迹跟踪控制方法，能够在满足欠驱动系统输入和状态约束的基础上根据给定的性能指标得到保证系统稳定的优化跟踪性能，包括以下步骤：1)将轨迹跟踪误差模型投影到体坐标系下，利用Lyapunov直接法和反步法设计使得跟踪误差渐近收敛的控制律并结合系统约束求取终端不变集；2)获取当前时刻系统状态，构建有限时域包含终端约束的MPC约束优化问题；3)求解MPC约束优化问题，获取当前时刻预测的最优控制序列，将第一个最优控制作用于系统；4)新采样时刻获取新的系统状态并更新MPC约束优化问题，滚动迭代直到跟踪控制过程结束。该方法不但考虑了系统的实际约束，也能够根据给定的指标以较短的预测时域获得优化的跟踪性能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于模型预测控制的欠驱动水面船轨迹跟踪控制方法
本专利技术属于水面船运动控制
，具体为一种基于模型预测控制的欠驱动水面船轨迹跟踪控制方法。
技术介绍
海洋航行器作为海洋资源勘探、开发和海洋军事应用的主要运载平台，以其自主化、智能化、多功能化、适应性强等特点在民用和军用方面都发挥了极其重要的作用，受到了各个发达国家的关注和重视。民用方面的主要应用是海洋资源的勘探、海底地貌地形的勘测、水下设备的检测和深海打捞服务等。军用方面的主要应用是预先了解水下战场环境(战区的侦察和探测)、破坏敌方设备和设施、水下危险的排除、水下中继通信等。作为各种应用的基础，海洋航行器的运动控制得到了广泛的研究。对于全驱动系统来说，由于系统控制变量的个数等于系统被控制自由度的个数，因此有着更好的灵活性。然而考虑到能量消耗、经济成本、重量等问题，水面船又常被设计成欠驱动的系统。当执行机构发生故障时，全驱动航行器也将成为欠驱动系统。水面船通常由两个执行机构驱动，是较为典型的欠驱动航行器，是海上运输、水上救援、海洋科考的主要平台，因此针对欠驱动水面船的研究具有十分重要的工程意义。相比于全驱动水面船，欠驱动水面船本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于模型预测控制的欠驱动水面船轨迹跟踪控制方法，其特征在于：第一部分是利用Lyapunov直接法和反步法设计使得跟踪误差渐近收敛的控制律；第二部分是将第一部分求得的控制律作为有终端约束MPC的终端控制律，进而选取合适的终端不变集并结合系统模型、系统约束和优化指标构建MPC约束优化问题；步骤如下：步骤1：终端控制律的设计及相应参数的选取：步骤1.1：假设水面船有着良好的对称性且低速航行，忽略动力学模型中惯性矩阵的非对角项和阻尼矩阵的非对角项及非线性项，考虑参考轨迹是由一个虚拟水面船模型产生，则实际水面船运动模型

【技术特征摘要】
1.一种基于模型预测控制的欠驱动水面船轨迹跟踪控制方法，其特征在于：第一部分是利用Lyapunov直接法和反步法设计使得跟踪误差渐近收敛的控制律；第二部分是将第一部分求得的控制律作为有终端约束MPC的终端控制律，进而选取合适的终端不变集并结合系统模型、系统约束和优化指标构建MPC约束优化问题；步骤如下：步骤1：终端控制律的设计及相应参数的选取：步骤1.1：假设水面船有着良好的对称性且低速航行，忽略动力学模型中惯性矩阵的非对角项和阻尼矩阵的非对角项及非线性项，考虑参考轨迹是由一个虚拟水面船模型产生，则实际水面船运动模型和虚拟水面船运动模型可分别表示为：其中，x＝[x,y,ψ,u,v,r]'为实际水面船的系统状态，xd＝[xd,yd,ψd,ud,vd,rd]'为虚拟水面船的系统状态，[x,y,ψ]'为水面船在地面坐标系下的位姿，[u,v,r]'为水面船在载体坐标系下的线速度和角速度，u为实际的控制输入，ud为参考的控制输入；步骤1.2：将误差模型投影到体坐标系下得到即：其中，xe＝[xe,ye,ψe,ue,ve,re]'为地面坐标系下的跟踪误差在载体坐标系下的投影；步骤1.3：设置水面船的模型参数m11、m22、m33、d11、d22、d33；步骤1.4：设置参考轨迹，设定参考轨迹的初始状态xd(0)和角速度rd，利用虚拟水面船模型生成参考轨迹，设定实际水面船的初始状态x(0)；步骤1.5：选取Lyapunov函数利用反步法设计可得：在选取合适参数ki,i＝0,…8的情况下，当实际的控制输入为u＝[X,N]'时，能够使得跟踪误差渐近收敛，X、N的具体形式分别为：其中，为虚拟角速度误差，为虚拟角速度，为虚拟前向速度误差，为虚拟前向速度；步骤1.6：由步骤1.4可知，选取合适的参数是设计控制律使得跟踪误差渐近收敛的关键部分，定义k0＝m22/(k3d22-m22)、k4＝m22/(k3m11)、k6＝k4-d11/m11+C1、k3＝m22/(d22λ)、c＝rd(1-k7)ψe_maxm11/d22、ψe_max＝maxψe，C1为正常数；步骤1.7：确定k7：{k7|0<1-k8-k7ψe_max}、确定λ12：{λ12|0<λ12<1}、确定ε347：{ε3...

【专利技术属性】
技术研发人员：李慧平，梁昊姣，严卫生，张卓，徐德民，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61