一种基于滑模控制和控制分配的无人艇航迹跟踪控制方法技术

本发明专利技术针对双喷水推进式矢量驱动无人艇提供了一种基于滑模控制和控制分配的无人艇航迹跟踪控制方法。本发明专利技术包含以下步骤：步骤100，建立无人艇非线性动力学模型；步骤200，设计基于滑模控制原理的无人艇航迹跟踪控制器；步骤300，设计控制分配器，将滑模控制器输出的期望控制力和力矩向量转换为底层执行机构的控制量。本发明专利技术能够为双喷水推进式矢量驱动无人艇提供有效的控制方案，解决了矢量驱动无人艇的高精度航迹跟踪、高效率底层控制量分配的挑战；所提出的控制方法在保证控制系统稳定性的同时，降低了无人艇航迹跟踪误差，提升了双喷水推进式矢量驱动无人艇的航迹跟踪控制性能。能。能。

【技术实现步骤摘要】
γ
R δ
R
]T
为矢量驱动控制量；为局部线性化后的线性表达形式。
[0017]控制分配问题采用混合最优问题的方式进行表述，即给定矩阵和参考控制向量u
p
，寻找一个向量u使得最小，并满足限制条件u
min
≤u≤u
rnax
(u
min
和u
max
分别代表无人艇矢量驱动执行机构的最小和最大范围限制)，有如下表述：
[0018][0019]将上述混合最优问题转化为线性规划问题，进而使用标准的线性规划解法求出其解，完成控制分配问题的求解。
[0020]与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：
[0021]1、本专利技术设计的基于滑模控制原理的航迹跟踪控制器，考虑了无人艇的非线性动力学模型，在保证控制系统稳定性的同时，降低了无人艇的航迹跟踪误差，提升了航迹跟踪控制性能。
[0022]2、本专利技术设计的基于线性规划分配算法的控制分配器，考虑了无人艇矢量驱动系统模型，可以根据定义的优化函数和限制条件将航迹跟踪控制器计算得到的控制力/力矩实时解算为矢量驱动系统各执行机构的控制量，能够实现高效率底层控制量分配。
附图说明
[0023]图1是本专利技术的无人艇航迹跟踪运动模型示意图。
[0024]图2是本专利技术提出的一种基于滑模控制和控制分配的无人艇航迹跟踪控制方法总体结构图。
[0025]图3是本专利技术的控制分配器的工作原理示意图。
[0026]图4是作为对比方法的分离型PID控制方法结构图。
具体实施方式
[0027]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，将结合附图对本专利技术作进一步地详细描述。这种描述是通过示例而非限制的方式介绍了与本专利技术的原理相一致的具体实施方式，这些实施方式的描述是足够详细的，以使得本领域技术人员能够实践本专利技术，在不脱离本专利技术的范围和精神的情况下可以使用其他实施方式并且可以改变和/或替换各要素的结构。因此，不应当从限制性意义上来理解以下的详细描述。
[0028]图1是无人艇航迹跟踪运动模型示意图。本专利技术提出的一种基于滑模控制和控制分配的无人艇航迹跟踪控制方法可根据无人艇当前的位置、姿态和目标航迹生成控制指令，控制无人艇趋近目标航迹并进行稳定跟踪。
[0029]图2是本专利技术提出的一种基于滑模控制和控制分配的无人艇航迹跟踪控制方法总体结构图。如图2中所示，基于预瞄点的航迹预处理模块对局部航迹规划单元输出的目标航迹进行处理，输出闭环运动控制系统的参考航迹：η
d
＝[x
d y
d ψ
d
]T
，局部航迹规划单元输出的目标航迹可表示为
一组带有经纬度坐标点和到达时间的序列(E(i)，N(i)，t(i))(i＝1，2，
…
，n
‑
1，n)，基于预瞄点的航迹预处理模块对航迹数据进行坐标变换、等距处理、预瞄点搜索等步骤，最终输出闭环控制所需的参考控制输入参数η
d
，
[0030]滑模控制器根据航迹控制参数η
d
，以及无人艇的当前航迹η，计算输出航迹误差参数η
e
，并根据误差参数计算无人艇控制力矩τ＝[τ
u τ
v τ
r
]T
。
[0031]控制分配器将无人艇控制力矩τ分解为无人艇驱动装置底层执行机构的控制量u＝[n
L γ
L δ
L n
R γ
R δ
R
]T
，驱动无人艇运动。
[0032]图3是本专利技术的控制分配器的工作原理示意图。本专利技术针对的双喷水推进式矢量驱动无人艇的驱动装置包括左右发动机和左右喷水推进器，共有六个可调节的控制量，分别为左右发动机转速n
L
和n
R
、左右倒车斗开合度γ
L
和γ
R
、左右喷口角度δ
L
和δ
R
，通过组合这六个控制量可得到对应的推力和力矩。本专利技术中滑模控制器输出的无人艇控制力/力矩τ包含三个分量：纵向推力τ
u
，横向推力τ
v
，转艏力矩τ
r
。控制分配器的作用是以某种高效的方式将滑模控制器输出的控制力矩τ解算驱动装置底层执行机构的控制量u。
[0033]本专利技术的方法主要包括以下步骤：
[0034]步骤100，建立无人艇非线性动力学模型。本专利技术中建立的无人艇非线性动力学模型为：
[0035][0036]其中，τ表示无人艇的控制力/力矩；M
η
(η)表示无人艇的惯性矩阵；C
η
(η)表示无人艇的科里奥利和向心力矩阵；D
η
(η)表示无人艇的阻尼矩阵；η＝[x y ψ]T
代表无人艇在惯性坐标系下的广义位置，包括X0方向位置分量、Y0方向位置分量和艏向角；和分别表示η的一阶导数和二阶导数。
[0037]步骤200，设计基于滑模控制原理的无人艇航迹跟踪控制器。
[0038]定义航迹跟踪误差η
e
：
[0039]η
e
＝η
‑
η
d
[0040]其中，η为实际航迹，η
d
为指令航迹。
[0041]定义滑模面s：
[0042][0043]其中，A表示航迹跟踪误差的系数矩阵，Λ＝diag{λ1，λ2，λ3}，λ
i
＞0，i＝1，2，3，λ1为x方向的航迹跟踪误差系数，λ2为y方向的航迹跟踪误差系数，λ3为艏向角ψ的航迹跟踪误差系数，本实施例中取λ1＝10，λ2＝10，λ3＝10。
[0044]设计航迹跟踪控制器为：
[0045][0046]其中，Γ为滑模面的系数，Γ＝diag(γ1，γ2，γ3)，γ
i
＞0，γ1，γ2，γ3分别为滑模面中3个分量的系数；K为饱和函数sat(s)的系数，K＝diag(k1，k2，k3)，k
i
＞0，i＝1，2，3，k1，k2，k3分别为饱和函数求得的结果中3个分量的系数；sat(s)为饱和函数，设计如下：
[0047][0048]其中，Δ表示滑模面周围一个很小的边界层。
[0049]步骤300，设计控制分配器，将滑模控制器输出的期望控制力和力矩向量转换为底层执行机构的控制量。
[0050]矢量驱动系统提供的推力/力矩矢量和驱动控制量之间的关系为：
[0051]τ
P
＝F(u，x)
[0052]其中，x＝[u v r x y ψ]T
为无人艇的状态参数，F为非线性函数。u＝[n
L γ
L δ
L n
R γ
R δ
R
]T
为矢量驱动控制量。通过局部线性化可以近本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于滑模控制和控制分配的无人艇航迹跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤100，建立无人艇非线性动力学模型；步骤200，设计基于滑模控制原理的无人艇航迹跟踪控制器；步骤300，设计控制分配器，将滑模控制器输出的期望控制力/力矩向量转换为底层执行机构的控制量。2.根据权利要求1所述的一种基于滑模控制和控制分配的无人艇航迹跟踪控制方法，其特征在于，步骤100中建立的无人艇非线性动力学模型为：其中，τ表示无人艇的控制力/力矩；M
η
(η)表示无人艇的惯性矩阵；C
η
(η)表示无人艇的科里奥利和向心力矩阵；D
η
(η)表示无人艇的阻尼矩阵；η代表无人艇在惯性坐标系下的广义位置，包括X0方向位置分量、Y0方向位置分量和艏向角；和分别表示η的一阶导数和二阶导数。3.根据权利要求1所述的一种基于滑模控制和控制分配的无人艇航迹跟踪控制方法，其特征在于，步骤200中的滑模面设计为：其中，η
e
＝η
‑
η
d
...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗珍雄，吕小文，聂勇，李贞辉，孙向伟，唐建中，陈正，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：