一种基于单目视觉的水面航行器有限时间连续控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于单目视觉的水面航行器有限时间连续控制方法，属于水面航行器视觉控制领域，包括以下步骤：通过单目相机获取视觉特征点的实际图像和期望图像，利用单应性分解技术对水面航行器位姿误差进行恢复，并构建伺服系统的运动学和动力学模型；利用速度调节误差设计NITSMC面，以适应非匹配视觉不确定量；设计FOD，对动力学中的匹配扰动进行观测；引入指数幂次趋近率，设计连续有限时间单目视觉伺服控制器，既保证控制输入连续，又能实现整个伺服系统的有限时间收敛。该方法解决了具有非匹配不确定量的单目视觉伺服系统控制问题，提高了调节误差的收敛速度和控制精度，可以有效避免因扰动造成特征点丢失和视觉伺服失败，特别适用于实际工程需求。

A finite time continuous control method for surface vehicle based on monocular vision

【技术实现步骤摘要】
一种基于单目视觉的水面航行器有限时间连续控制方法
本专利技术涉及水面航行器视觉控制领域，尤其涉及一种基于单目视觉的水面航行器有限时间连续控制方法。
技术介绍
单目相机作为便携、廉价、高效的传感器，逐渐成为了海洋环境感知与自身状态估计的有力工具，极大地增强水面航行器的自主性和智能性。Young-HoKim等人在图像中定义控制误差，设计了PID控制器，实现航行器之间的对接；王健等人利用Backstepping思想设计了基于位置的视觉伺服控制器，实现了航行器编队控制；将轨迹跟踪和视觉测量相结合，Lefeber等人设计了渐进稳定的轨迹跟踪控制器；不考虑系统非线性和时变扰动，王宁等人在将Backstepping和单应性分解技术相结合，设计了航行器姿态调节方法。以上视觉伺服方法的技术特征包括：(1)不考虑系统的未建模动态和时变环境扰动；(2)采用简单的PID或Backstepping思想设计水面海洋航行器的控制器；(3)仅可实现系统渐近稳定或全局最终一致有界稳定。在海洋环境中，由于风、浪、流的作用，必然存在外界扰动，并且水面航行器是一个复杂的无人系统，也必然存在未建模动态，不考虑这些因素，设计的控制器所具有的控制精度必然不高。采用简单的PID或Backstepping思想设计控制器，若初始误差较大，那么初始控制输入会很大，有可能造成执行器输入饱和或损坏。更重要的是，渐近稳定或全局最终一致有界稳定的结果使得误差收敛速率慢、控制精度低，难以满足工程实际需求。传统的滑模控制方法常引入符号函数来鲁棒抑制匹配扰动和促使调节误差快速收敛。这种方法虽然可以迫使调节误差有限时间到达滑模面，但难以保证在滑动阶段有限时间收敛。终端滑模控制引入非线性滑模面，可以有效地避免该问题，但不幸的是，终端滑模控制器在原点附近时奇异，会造成控制输入无界。非奇异终端滑模控制虽然可以避免奇异问题，但是当调节误差远离平衡点时，非奇异终端滑模控制收敛速率比传统的滑模控制方法还要低。值得注意的是，由于引入了符号函数，以上控制方法将产生不连续的控制输入，造成控制耗能大、切换频繁，引起未知动态和执行器损坏。在实际工程应用中，常采用双曲正切或饱和函数替换符号函数，但因此会产生不可预知的边界层，严重影响控制精度。更重要是，以上滑模控制方法难以抑制非匹配的不确定量。因此，在控制器设计时，系统扰动抑制、连续控制输入和有限时间收敛之间存在着巨大矛盾。基于单目相机的水面航行器航行控制还具有独特难题：(1)在水面上，相机外参难以标定，为控制系统带来了非匹配的视觉不确定量；(2)系统动力模型和外部扰动难以提前获知；(3)如果系统的未知动态不能够充分地补偿，视觉目标将脱离相机视野，导致伺服失败，尤其当视觉目标距离相机很近时，对调节误差变化更为敏感；(4)系统需要连续控制输入，实现平稳控制。因此，在控制输入连续的前提下，实现调节误差的有限时间收敛对单目视觉伺服意义重大。
技术实现思路
根据现有技术存在的问题，本专利技术公开了一种基于单目视觉的水面航行器有限时间连续控制方法，包括以下步骤：S1：通过单目相机获取视觉特征点的实际图像和期望图像，利用单应性分解技术对水面航行器在惯性坐标系下的位姿误差进行恢复，并以此构建单目视觉伺服系统的运动学和动力学模型；S2：利用欧拉-拉格朗日旋转矩阵将航行器速度变换到惯性坐标系下表示，并据此变量设计非奇异积分终端滑模面，以解决非匹配视觉不确定量自适应问题；S3：设计有限时间扰动观测器，对动力学中的匹配扰动进行精准观测；S4：引入指数幂次趋近律，设计连续有限时间单目视觉伺服控制器，在控制输入连续的前提下，实现整个伺服系统的调节误差有限时间收敛。进一步地，在惯性坐标系下恢复水面航行器的位姿误差，并以此构建的单目视觉伺服系统一般化模型如下：其中，ηd:＝[ηd1,ηd2,ηd3]T＝[ηx,ηy,ηψ]T是采用单应性分解技术在惯性坐标系下恢复的位姿误差向量，Kd＝diag(1/d,1/d,1)>0，d是未知的图像深度，是旋转矩阵，v＝[u,v,r]T是航行器运动速度向量，是惯性矩阵，f(v)是未知的系统内部力，τδ＝MRT(ηψ)δ(t)是未知的外部干扰，τ:＝[τu,τv,τr]T是控制输入向量。进一步地，在惯性坐标系下表示航行器运动速度向量，并据此设计的非奇异积分终端滑模面如下：其中，ω＝R(ψ)ν是航行器速度在惯性坐标系下的表示，Ki＝diag(ki1,ki2,ki3)>0(i＝1,2)，β1∈(0,1)，β2＝2β1/(1+β1)，均为用户自定义常量，计算符号(j＝1,2)。进一步地，所述有限时间扰动观测器设计如下：式中，是观测器输出向量，λi>0(i＝0,1,2)，是用户自定义常量。进一步地，在连续有限时间单目视觉伺服控制方法中，引入指数幂次趋近率，所设计的控制器如下：式中，Ki＝diag(ki1,ki2,ki3)>0(i＝3,4)，γ∈(0,1)为用户自定义常量。由于采用了上述技术方案，本专利技术提供的一种基于单目视觉的水面航行器有限时间连续控制方法，借助于单应性分解技术，建立了新颖的视觉伺服框架，采用非奇异积分终端滑模面，解决了具有非匹配视觉不确定量的视觉伺服系统控制器设计难题；设计的有限时间扰动观测器可以在有限时间内准确观测系统未知量，增强了控制方法的鲁棒性，可以有效避免因扰动造成特征点丢失和视觉伺服失败；设计的指数幂次趋近律，可以在满足连续控制输入的前提下，实现调节误差的全局有限时间收敛，特别适用于实际工程需求。附图说明为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1惯性坐标系和航行器附体坐标系关系图；图2专利技术的连续有限时间单目视觉伺服控制方法流程图；图3设计的有限时间扰动观测器扰动观测误差图；图4连续有限时间单目视觉伺服控制方法的控制输入图；图5使用所专利技术方法的水面航行器运动速度演变图；图6使用所专利技术方法的水面航行器姿态误差演变图。图7(a)使用所专利技术方法的特征点轨迹图；图7(b)使用所专利技术方法的航行器轨迹图；图8(a)使用FDO-BSC方法的特征点轨迹图；图8(b)使用FDO-BSC方法的航行器轨迹图；图9(a)使用GPIO-BSC方法的特征点轨迹图；图9(b)使用GPIO-BSC方法的航行器轨迹图；图10(a)使用GPIO-NITSMC方法的特征点轨迹图；图10(b)使用GPIO-NITSMC方法的航行器轨迹图；图11(a)使用HTF-NITSMC方法的特征点轨迹图；图11(b)使用HTF-NITSMC本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于单目视觉的水面航行器有限时间连续控制方法，其特征在于：包括以下步骤：/nS1：通过单目相机获取视觉特征点的实际图像和期望图像，利用单应性分解技术对水面航行器在惯性坐标系下的位姿误差进行恢复，并以此构建单目视觉伺服系统的运动学和动力学一般化模型；/nS2：利用欧拉-拉格朗日旋转矩阵将航行器速度变换到惯性坐标系下表示，并据此变量设计非奇异积分终端滑模面，以解决非匹配视觉不确定量自适应问题；/nS3：设计有限时间扰动观测器，对动力学中的匹配扰动进行精准观测；/nS4：引入指数幂次趋近律，设计连续有限时间单目视觉伺服控制器，在控制输入连续的前提下，实现整个伺服系统的调节误差有限时间收敛。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于单目视觉的水面航行器有限时间连续控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：通过单目相机获取视觉特征点的实际图像和期望图像，利用单应性分解技术对水面航行器在惯性坐标系下的位姿误差进行恢复，并以此构建单目视觉伺服系统的运动学和动力学一般化模型；
S2：利用欧拉-拉格朗日旋转矩阵将航行器速度变换到惯性坐标系下表示，并据此变量设计非奇异积分终端滑模面，以解决非匹配视觉不确定量自适应问题；
S3：设计有限时间扰动观测器，对动力学中的匹配扰动进行精准观测；
S4：引入指数幂次趋近律，设计连续有限时间单目视觉伺服控制器，在控制输入连续的前提下，实现整个伺服系统的调节误差有限时间收敛。


2.根据权利要求1所述的一种基于单目视觉的水面航行器有限时间连续控制方法，其特征还在于：在惯性坐标系下恢复水面航行器的位姿误差，并以此构建的单目视觉伺服系统一般化模型如下：



其中，ηd:＝[ηd1,ηd2,ηd3]T＝[ηx,ηy,ηψ]T是采用单应性分解技术在惯性坐标系下恢复的位姿误差向量，Kd＝diag(1/d,1/d,1)>0，d是未知的图像深度，是旋转矩阵，v＝[u,v,r]T是航行器运动速度向量，是惯性矩阵，f(v)是未知的系统内部力，τδ＝MRT(ηψ)δ(...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宁，何红坤，李春艳，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21