一种考虑推进器伺服控制的差动水面无人船轨迹跟踪方法技术

本发明专利技术公开一种考虑推进器伺服控制的差动水面无人船轨迹跟踪方法，本发明专利技术以推进器电机的占空比为控制输入，考虑到电机的动态响应，使控制器可以直接应用于实际的差动驱动水面无人船。与现在广泛采用的无人船控制方法相比，本发明专利技术：（1）在考虑推进器伺服环动态响应的情况下，使无人水面船的轨迹跟踪误差稳定在一个非常小的有限区间内。（2）以推进器的电机占空比作为系统输入，考虑了推进器电机的动态响应性能，可以直接应用于实际的水面无人船上而不需要其他的修改。不需要其他的修改。不需要其他的修改。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑推进器伺服控制的差动水面无人船轨迹跟踪方法


[0001]本专利技术属于水面无人船控制
，涉及一种考虑推进器伺服控制的差动水面无人船轨迹跟踪方法。

技术介绍

[0002]水面无人船是海洋勘探、搜索巡逻、环境监测等领域的重要辅助设备。其中，差动驱动的水面无人船机械结构简单而且操作方便，具有广泛的应用前景。轨迹跟踪是指无人船的位置跟踪期望的时变参考位置，是无人船运动控制的主要目标之一。
[0003]差动式无人船通常只有两个平行安装在船体的两侧的推进器，每个推进器提供独立的推力从而实现船的运动控制。其中，纵向平动由两螺旋桨推力之和实现，偏航方向的旋转由两个推进器的推力之差实现，而在横向上没有推力，所以差动驱动水面无人船是欠驱动的。欠驱动无人船的跟踪问题尤其具有挑战性，因为大多数欠驱动系统不是完全反馈线性化的，并且表现出非完整约束。此外，无人船动力学模型是高度非线性和强耦合的，带有未知时变扰动的不利环境以及模型不确定性等困难使得控制器设计更具挑战性。
[0004]然而，目前的研究主要集中在外环控制器的设计上，即速度和位置控制，而对推进器伺服内环的研究较少。大多数控制器的目标是设计以推力为控制量的控制律，而不考虑推进器控制。这样的控制器是无法直接使用的，因为我们不能直接向系统输入一个给定的推力值，而是要使用推进器产生推力。一般情况下，差动无人船使用电机螺旋桨作为推进器，电机的占空比作为系统直接的控制输入。因此，有必要用微分方程来描述电机从占空比到推力的动态过程响应。并且，电机的占空比必须限制在/>‑
1到1之间，因此控制器设计过程中还必须考虑到输入饱和约束问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种考虑推进器伺服控制的差动水面无人船轨迹跟踪方法，本专利技术以推进器电机的占空比为控制输入，考虑到电机的动态响应，使控制器可以直接应用于实际的差动驱动水面无人船。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术可通过以下技术方案予以实现：一种考虑推进器伺服控制的差动水面无人船轨迹跟踪方法，该差动水面无人船包括运动学模型，动力学模型和执行器模型，该考虑推进器伺服控制的差动水面无人船轨迹跟踪方法包括以下步骤：步骤1）通过所述运动学模型，动力学模型和执行器模型建立无人船数学模型，并从传感器获得无人船当前的位置和角度，给定期望位置轨迹，计算船体坐标系下的位置跟踪误差；步骤2）从传感器获得无人船当前的速度，根据所述位置跟踪误差的动态方程，通过设计运动学控制律，输出速度参考值，用于动力学控制律的设计，使位置误差信号
收敛；步骤3）通过与所述动力学模型连接的扰动观测器，估计未知时变的扰动，并将观测值用于所述动力学控制律的设计；步骤4）根据实际速度与所述设计速度参考值的误差的动态方程，通过设计动力学控制律，得到推力参考值，并解出推进器电机转速的参考值用于所述执行器控制律的设计，使速度误差信号收敛；同时在设计过程中通过引入所述扰动观测器的观测值来补偿控制中由扰动和模型不确定性带来的误差；步骤5）根据实际推进器电机转速与所述推进器电机转速参考值的误差的动态方程，通过设计执行器控制律，得到电机占空比，使转速误差信号收敛；在设计过程中考虑到占空比存在的输入饱和约束，设计了处理输入饱和约束的辅助动态系统，该输入饱和约束辅助动态系统与所述执行器模型相连，直接向无人船输入推进器电机占空比。
[0007]进一步地，所述步骤1）具体为：首先定义世界坐标系和船体坐标系，其中位于地面上任意一点，分别指向正北、正东和地心；位于船的重心，分别指向船的前方、右舷和船底。对无人船的运动学
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动力学
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执行器系统建立数学模型： ， ， ，其中表示世界坐标系下在方向的位移和绕轴的偏航角度；表示船体坐标系下在方向的速度和绕轴的偏航角速度；表示两个推进器电机的转速；表示控制器给两个推进器电机的占空比信号；是旋转矩阵，且， ， 是惯性矩阵的标称值；是科氏力矩阵的标称值，且 ，是阻尼矩阵的标称值；表示来自外部环境的干扰力
，为了使位置的误差收敛，令速度参考值为：，其中是一个人为设计的正定参数。
[0009]进一步地，所述步骤3）具体为：建立扰动观测器用于估计未知时变的扰动： ，，其中是的估计值；是辅助系统的状态变量，；；是一个人为设计的正定参数。
[0010]通过设计的扰动观测器，可以使外部扰动和模型不确定性的估计值与实际值的误差有界。
[0011]进一步地，所述步骤4）具体为：定义跟踪速度误差为，计算关于时间的导数为 ，其中；是推进器电机的转速参考值；是标称推力与推力参考值的误差；，为了使速度误差收敛，令推力的参考值为： ，其中；是一个人为设计的正定参数；解如下方程：，可以得到推进器电机的转速参考值的唯一解。
[0012]进一步地，所述步骤5）具体为：定义转速跟踪误差为，计算关于时间的导数为 ，计算经饱和约束前的占空比输入控制律： ，
其中是一个人为设计的正定参数；是一个人为设计的正定参数；是一个人为设计的正定参数；是一个处理饱和约束辅助系统的状态量，且 ，是一个人为设计的正定参数；是一个非常小的正数；是饱和约束前的占空比与饱和约束后的占空比之差，即，。
[0013]根据以上步骤1）至步骤5）所设计的控制律，可以证明，无人船
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控制器构成的闭环系统的李雅普诺夫函数系统的李雅普诺夫函数关于时间的导数满足，其中是一个可以由控制器设计的比较大的标量，是一个和闭环系统参数有关的比较小的有界标量。这说明跟踪误差在零附近的一个小邻域内，且闭环中所有物理量都是一致有界的，从而实现了对水面无人船的位置控制。
[0014]有益效果（1）本专利技术在考虑推进器伺服环动态响应的情况下，使无人水面船的轨迹跟踪误差稳定在一个非常小的有限区间内。
[0015]（2）本专利技术以推进器的电机占空比作为系统输入，可以直接应用于实际的水面无人船上而不需要其他的修改。
附图说明
[0016]图1为本专利技术中控制系统的结构示意图。
[0017]图2为世界坐标系和船体坐标系示意图。
[0018]图3为参考轨迹和控制算法控制下的实际轨迹图。
[0019]图4为位置误差曲线图。
[0020]图5为控制算法输出的左差动推进器占空比曲线图。
[0021]图6为控制算法输出的右差动推进器占空比曲线图。
具体实施方式
[0022]为了更为具体地描述本专利技术，下面结合具体实施案例及附图对本专利技术的技术方案进行详细说明。
[0023]本专利技术的一种考虑推进器伺服控制的差动水面无人船轨迹跟踪方法，如图1所示，
该差动水面无人船包括运动学模型，动力学模型和执行器模型，该考虑推进器伺服控制的差动水面无人船轨迹跟踪方法包括以下步骤：步骤一：通过所述运动学模型，动力学模型和执行器模型建立无人船数学模型，并从传感器获得无人船当前的位置和角度，给定期望位置轨迹，计算船体坐标系下的位置跟踪误差；步骤二：从传感器获得无人船当本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑推进器伺服控制的差动水面无人船轨迹跟踪方法，该差动水面无人船包括运动学模型，动力学模型和执行器模型，其特征在于，该考虑推进器伺服控制的差动水面无人船轨迹跟踪方法包括以下步骤：步骤1）通过所述运动学模型，动力学模型和执行器模型建立无人船数学模型，并从传感器获得无人船当前的位置和角度，给定期望位置轨迹，计算船体坐标系下的位置跟踪误差；步骤2）从传感器获得无人船当前的速度，根据所述位置跟踪误差的动态方程，通过设计运动学控制律，输出速度参考值，用于动力学控制律的设计，使位置误差信号收敛；步骤3）通过与所述动力学模型连接的扰动观测器，估计未知时变的扰动，并将观测值用于所述动力学控制律的设计；步骤4）根据实际速度与所述设计速度参考值的误差的动态方程，通过设计动力学控制律，得到推力参考值，并解出推进器电机转速的参考值用于所述执行器控制律的设计，使速度误差信号收敛；同时在设计过程中通过引入所述扰动观测器的观测值来补偿控制中由扰动和模型不确定性带来的误差；步骤5）根据实际推进器电机转速与所述推进器电机转速参考值的误差的动态方程，通过设计执行器控制律，得到电机占空比，使转速误差信号收敛；在设计过程中考虑到占空比存在的输入饱和约束，设计了处理输入饱和约束的辅助动态系统，该输入饱和约束辅助动态系统与所述执行器模型相连，直接向无人船输入推进器电机占空比。2.根据权利要求1所述的一种考虑推进器伺服控制的差动水面无人船轨迹跟踪方法，其特征在于，所述步骤1）具体为：为了确定运动方程，首先定义世界坐标系和船体坐标系，其中位于地面上任意一点，分别指向正北、正东和地心；位于船的重心，分别指向船的前方、右舷和船底；对无人船的运动学
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动力学
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执行器系统建立数学模型：，，，其中表示世界坐标系下在方向的位移和绕轴的偏航角度；表示船体坐标系下在方向的速度和绕轴的偏航角速度；表示两个推进器电机的转速；表示控制器给两个推进器电机的占空比信号；是旋转矩阵，且
，，是惯性矩阵的标称值；是科氏力矩阵的标称值，且 ，是阻尼矩阵的标称值；表示来自外部环境的...

【专利技术属性】
技术研发人员：项基，徐子实，
申请(专利权)人：浙江大学湖州研究院，
类型：发明
国别省市：