一种基于Lyapunov-MPC技术的自主水下机器人路径跟踪闭环控制方法技术

一种基于Lyapunov‑MPC技术的自主水下机器人路径跟踪闭环控制方法，本发明专利技术涉及自主水下机器人路径跟踪闭环控制方法。本发明专利技术的目的是为了解决现有MPC方法分析路径跟踪稳定性差的问题。过程为：一、测量初始时刻AUV的状态测量值，设置AUV的期望路径；二、根据当前AUV的状态测量值和AUV的期望路径得到AUV的路径跟踪误差；三、使二获得的路径跟踪误差收敛，得到AUV的控制输入，AUV的控制输入包括AUV的力矩和力；四、判断AUV是否走完跟踪路径，若走完跟踪路径，得到AUV的控制输入；若没有走完跟踪路径，重新执行二到四，直至AUV走完跟踪路径。本发明专利技术用于自主水下机器人路径跟踪领域。

【技术实现步骤摘要】
一种基于Lyapunov-MPC技术的自主水下机器人路径跟踪闭环控制方法
本专利技术涉及自主水下机器人路径跟踪闭环控制方法。
技术介绍
自主水下机器人(Autonomousunderwatervehicle,AUV)是新一代水下机器人，具有活动范围大、机动性好、安全、智能等优点，成为完成各种水下任务的重要工具。路径跟踪问题是AUV运动控制的一类基础问题，即令AUV保持在期望路径上。由于任务需求的复杂化，将会进一步提高对AUV控制精度的要求，因此需要精确的控制方法来满足复杂的控制要求。模型预测控制(ModelPredictiveControl,MPC)是结合最优控制理论与实际过程控制的特点与需求发展出来的一种控制方法。MPC利用控制过程的当前状态作为最优控制问题的初始状态，解得的最优控制序列只实施第一个控制作用，因此其本质上模型预测控制是求解一个开环最优控制问题。但是由于其仍然缺少稳定性相关的分析，所以还是难以称之为一个完备的控制理论，这也是大多数MPC控制器所存在的通病。由于需要考虑以非线性、不确定性和约束为特征的复杂过程动力学，早在上世纪末就已经有学者开展了MPC可行性、稳定性、约本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于Lyapunov‑MPC技术的自主水下机器人路径跟踪闭环控制方法，其特征在于：所述方法具体过程为：步骤一、测量初始时刻AUV的状态测量值，设置AUV的期望路径p(σ)；步骤二、测量当前AUV的状态测量值，根据当前AUV的状态测量值和AUV的期望路径p(σ)得到AUV的路径跟踪误差；步骤三、使步骤二获得的路径跟踪误差ep(t)收敛，得到AUV的控制输入，AUV的控制输入包括AUV的力矩和力；步骤四、判断AUV是否走完跟踪路径，若走完跟踪路径，得到AUV的控制输入；若没有走完跟踪路径，重新执行步骤二到步骤四，直至AUV走完跟踪路径。

【技术特征摘要】
1.一种基于Lyapunov-MPC技术的自主水下机器人路径跟踪闭环控制方法，其特征在于：所述方法具体过程为：步骤一、测量初始时刻AUV的状态测量值，设置AUV的期望路径p(σ)；步骤二、测量当前AUV的状态测量值，根据当前AUV的状态测量值和AUV的期望路径p(σ)得到AUV的路径跟踪误差；步骤三、使步骤二获得的路径跟踪误差ep(t)收敛，得到AUV的控制输入，AUV的控制输入包括AUV的力矩和力；步骤四、判断AUV是否走完跟踪路径，若走完跟踪路径，得到AUV的控制输入；若没有走完跟踪路径，重新执行步骤二到步骤四，直至AUV走完跟踪路径。2.根据权利要求1所述一种基于Lyapunov-MPC技术的自主水下机器人路径跟踪闭环控制方法，其特征在于：所述步骤二中测量当前AUV的状态测量值，根据当前AUV的状态测量值和AUV的期望路径p(σ)得到AUV的路径跟踪误差；具体过程为：设置AUV水平面运动数学模型：其中η＝[x′yψ]T为大地坐标系下的坐标和姿态角，x′、y为大地坐标系下AUV的位置，ψ为大地坐标系下AUV艏向，上角标T表示求转置，为大地坐标系与随体坐标系之间的关系，R(ψ)为水平面坐标变换矩阵；M＝MRB+MA为惯性矩阵；MRB为刚体惯性阵，MA为附加质量阵，v＝[u′v′r]T为随体坐标系下的速度向量，包括运动的速率和角速度；u′为随体坐标系下AUV的纵向，v′为随体坐标系下AUV的横向，r为随体坐标系下AUV的转艏速率，为随体坐标系下的加速度，C(v)＝CRB(v)+CA(v)为科氏力和向心力的矩阵；CRB(v)为科氏力的矩阵；CA(v)为向心力的矩阵；D(v)为流体阻尼力和力矩对AUV产生的作用；τthr为随体坐标系下作用于机器人上的推力和力矩，即机器人的控制输入；τenv为环境对AUV作用的干扰力；将上述AUV水平面运动数学模型简化为如下形式：其中x为AUV的状态量，u为输入量，f为足够连续可微的非线性函数；设置一条规则曲线Ρ其中p(σ)为期望路径，σ为路径参数；为路径参数的上界；曲线Ρ定义在映射上；根据公式(3)，定义路径跟踪误差为：ep(t)＝x(t)-p(σ(t))(4)其中ep为路径跟踪误差，x(t)为AUV的状态量，p(σ(t))为期望路径；考虑当前AUV的位姿状态[x,y,ψ]，以及路径p:x＝α1(σ),y＝α2(σ)，寻找曲线上离AUV当前状态最近的点为路径参考点，即归纳为如下形式：其中α1(σ)、α2(σ)为参数方程；通过求解上述优化问题式(5)，得到当前时刻的期望点的参数值σ(t)，即当前时刻的期望点的位置(x(σ(t)),y(σ(t)))；期望航向角通过下式计算得到：其中atan2是求方位角的函数，定义域范围为ψ∈(-π,π]；为参数方程；路径跟踪误差e...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙延超，万磊，张靖宇，秦洪德，张栋梁，杜雨桐，陈辉，
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