考虑速度传感器失效的无人潜航器轨迹跟踪控制方法技术

本发明专利技术提供一种考虑速度传感器失效的无人潜航器轨迹跟踪控制方法，包括：建立航行数学模型，设定期望轨迹数学模型；设计基于位置信号的速度观测器，在此基础上设计纵向力矩和横向力矩干扰观测器；设计纵向速度和横向速度的虚拟控制律，导入指令滤波器对虚拟控制律的幅值及速度进行约束，并解决对虚拟控制律高阶求导产生计算复杂度增加问题；基于虚拟控制律及指令滤波器的输出设计轨迹跟踪滑模控制器，同时基于干扰观测器的估计值对纵向力矩和横向力矩的扰动进行补偿；本发明专利技术的技术方案解决了现有技术方案中未考虑无人潜航器在经过水下作业后速度传感器性能失效，控制器力矩输出超过无人潜航器推进器最大输出而导致控制器跟踪失效的问题。跟踪失效的问题。跟踪失效的问题。

【技术实现步骤摘要】
考虑速度传感器失效的无人潜航器轨迹跟踪控制方法


[0001]本专利技术涉及无人潜航器轨迹跟踪控制
，具体涉及一种考虑速度传感器失效的无人潜航器轨迹跟踪控制方法。

技术介绍

[0002]近年来，欠驱动无人潜行器的运动控制已成为海洋工程的研究热点，无人潜航器在海洋学观测、海底资源勘探、水文测量和制图、海底救援等方面发挥着重要作用，具有广阔的应用前景。随着自动化程度的提高，在不依靠人工的情况下利用无人艇对无人潜航器进行布放及回收已经成为了新的研究热点。为了完成对无人潜航器的自动布放及回收，无人潜航器必须实现轨迹跟踪，尤其是高精度的水面轨迹跟踪。因此，对于无人潜航器布放回收过程中的轨迹跟踪的研究就变得愈发重要。但是，目前对于无人潜器在水面进行轨迹跟踪的研究相对缺乏，在现有技术中，对于自动布放回收过程中的无人潜航器的轨迹跟踪存在着无法精确估计航行过程中风、浪、流产生的影响或系统以外未建模部分产生的干扰，并未对干扰进行补偿、未考虑当无人潜航器完成水下作业后其速度传感器精度会受到极大影响甚至失效、没有根据无人潜航器自身的动力学性能对控制器的期望输出进行限制等缺点。特别是在海面风浪干扰复杂不确定的环境下这些缺点暴露得更加明显。
[0003]目前现有对无人潜航器布放回收过程中水面轨迹跟踪方法的研究主要有以下不足：
[0004]1)未考虑当无人潜航器完成水下作业后其速度传感器精度会受到极大影响甚至失效。比如论文《Trajectory Tracking Control of an Underactuated UUV Using a Novel Nonlinear Integral Sliding Mode Surface》、《Dynamical sliding mode control for the trajectory tracking of underactuated unmanned underwater vehicles》等论文中所提出的利用反步滑模法设计的轨迹跟踪控制方法均未考虑无人潜航器水下作业后传感器精度受到影响可能导致控制精度下降甚至失效。传统针对水面无人船设计的轨迹跟踪控制方法同样未考虑速度传感器精度对轨迹跟踪产生的影响，比如论文《欠驱动船舶航迹跟踪指令滤波滑模鲁棒控制》一文中考虑了对虚拟控制律进行限制，但没有考虑速度传感器失效产生的影响。
[0005]2)传统针对水面无人船设计的轨迹跟踪控制方法未考虑无人潜航器的动力学性能，没有对控制器的期望输出进行限制，并且没有解决对虚拟控制律计算高阶导数导致的计算复杂度增加的问题。比如论文《带非线性观测器的欠驱动船舶自适应动态面输出反馈轨迹跟踪控制》一文中所提出的控制方法就没有对控制器的期望输出加以限制，并且计算控制律的过程中没有避免对虚拟控制律的高阶求导所带来的的计算复杂度增加的问题。类似的，专利号CN113835338A、CN110134012A等专利中所提出的控制方法同样由于没有对期望输出进行限制无法适用于无人潜航器的水面轨迹跟踪控制。
[0006]3)没有观测航行过程中风、浪、流产生的影响或系统以外未建模部分产生的干扰，并未对干扰进行补偿。比如论文《基于命令滤波的水下机器人位置跟踪控制》一文中所提出
的控制方法就没有针对系统的各种扰动进行观测和补偿。

技术实现思路

[0007]为解决现有技术中在无人潜航器布放回收过程中的轨迹跟踪控制存在的问题，本专利技术考虑了无人潜航器在无法测量速度向量的情况下的轨迹跟踪问题，同时考虑了系统内外部及未建模部分产生的干扰，为防止控制器的期望输出超出无人潜航器驱动器推力上限，通过对虚拟控制律的约束限制了控制器的输出，并提供相应的控制方法。
[0008]为实现上述目的，本专利技术通过如下技术方案实现：
[0009]考虑速度传感器失效的无人潜航器轨迹跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0010]S1、建立无人潜航器水面航行数学模型，设定期望轨迹数学模型。
[0011]S2、设计基于位置信号的速度向量观测器，在此基础上设计纵向力矩和横向力矩方向上的干扰观测器，并通过Lyapunov定理验证其有效性。
[0012]S3、基于实时位置误差，设计纵向速度和横向速度的虚拟控制律，在虚拟控制律的基础上导入指令滤波器对虚拟控制律的幅值及速度进行约束，并解决求取实际控制律时需要对虚拟控制律进行高阶求导产生计算复杂度增加的问题，并通过Lyapunov定理验证其有效性。
[0013]S4、基于虚拟控制律及指令滤波器的输出值设计无人潜航器轨迹跟踪滑模控制器，同时基于干扰观测器所观察到的系统扰动估计值对纵向力矩和横向力矩的扰动进行补偿，并通过Lyapunov定理验证其有效性。
[0014]S5、仿真验证所提出方法的有效性。
[0015]进一步地，所述步骤S1具体包括：
[0016]分别定义北东坐标系OXYZ和附体坐标系O
B
X
B
Y
B
Z
B
两个坐标系，将北东坐标系XOY设为惯性坐标系，取地球上任意一点O作为坐标系的原点，OX指向正北，OY指向正东，OZ垂直于OX、OY所在平面竖直向下。将附体坐标系O
B
X
B
Y
B
Z
B
作为惯性坐标系，假设无人潜航器体身左右对称，取其中心点为惯性坐标系的原点O
B
，O
B
X
B
轴沿艇身指向艇艏方向，O
B
Y
B
垂直指向右舷,O
B
Z
B
垂直于艇身向下。对无人潜航器在水面航行过程进行动力学建模，得到包含纵荡(surge)、横荡(sway)、垂荡(heave)、横摇(roll)、纵摇(pitch)、艏摇(yaw)六自由度模型。忽略高于二阶的水动力阻力项及垂荡(heave)、纵摇(pitch)、横摇(roll)运动，建立运动学和动力学模型为：
[0017][0018]式中，η＝[x,y,ψ]T
，x,y表示无人潜航器运动位置矢量，ψ∈[0,2π]表示艏向角，J(ψ)是北东坐标系与附体坐标系的转换矩阵，v＝[u,v,r]T
表示附体坐标系下无人潜航器运动的速度向量，u、v、r分别表示纵荡、横荡、艏摇速度。表示包含附加质
量的惯性矩阵，C(v)表示斜对称矩阵，表示阻尼矩阵，τ＝[τ
u
,τ
v
,τ
r
]T
表示力矩控制输入向量，τ
u
、τ
v
、τ
r
分别表示纵荡、横荡、艏摇控制力，τ
d
＝[τ
du
,τ
dv
,τ
dr
]T
系统扰动力矩向量，τ
du
、τ
dv
、τ
dr
分别表示纵荡、横荡、艏摇方向上的扰动力本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑速度传感器失效的无人潜航器轨迹跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、建立无人潜航器水面航行数学模型，设定期望轨迹数学模型；S2、设计基于位置信号的速度向量观测器，在此基础上设计纵向力矩和横向力矩方向上的干扰观测器，并通过Lyapunov定理验证其有效性；S3、基于实时位置误差，设计纵向速度和横向速度的虚拟控制律，在虚拟控制律的基础上导入指令滤波器对虚拟控制律的幅值及速度进行约束，并解决求取实际控制律时需要对虚拟控制律进行高阶求导产生计算复杂度增加问题，并通过Lyapunov定理验证其有效性；S4、基于虚拟控制律及指令滤波器的输出值设计无人潜航器轨迹跟踪滑模控制器，同时基于干扰观测器所观察到的系统扰动估计值对纵向力矩和横向力矩的扰动进行补偿，并通过Lyapunov定理验证其有效性；S5、仿真验证所提出方法的有效性；所述的S1中，建立运动学和动力学模型为：式中，η＝[x,y,ψ]
T
，x,y表示无人潜航器运动位置矢量，ψ∈[0,2π]表示艏向角，J(ψ)是北东坐标系与附体坐标系的转换矩阵，v＝[u,v,r]
T
表示附体坐标系下无人潜航器运动的速度向量，u、v、r分别表示纵荡、横荡、艏摇速度；表示包含附加质量的惯性矩阵，C(v)表示斜对称矩阵，表示阻尼矩阵，τ＝[τ
u
,τ
v
,τ
r
]
T
表示力矩控制输入向量，τ
u
、τ
v
、τ
r
分别表示纵荡、横荡、艏摇控制力，τ
d
＝[τ
du
,τ
dv
,τ
dr
]
T
系统扰动力矩向量，τ
du
、τ
dv
、τ
dr
分别表示纵荡、横荡、艏摇方向上的扰动力矩；所述的S2中，首先设计基于位置信号的速度向量观测器，由于速度向量v不可测量，因此消除模型中带有速度向量v的C(v)v项，导入变量矩阵P(η,v)：P(η,v)＝H(η)v
ꢀꢀꢀꢀ
(2)式中，H(η)3×3为速度向量v到P(η,v)的映射矩阵；对式(2)求导，得：为了消除式(3)中带有速度向量v的项，导入变量Y：于是有：P＝Y
‑
H(η)M
‑1DH
‑1(η)P+H(η)M
‑1(τ+τ
d
)
ꢀꢀꢀꢀ
(5)进而设计速度观测器为：
式中，为观测器对η、P的观测值，K1、K2为增益设计矩阵，为观测器的观测误差；在设计速度观测器基础上，对于未知扰动部分设计扰动观测器，对纵荡及艏摇方向的扰动进行在线估计，根据式(5)得：式中，为扰动观测器对系统未建模部分及内外部未知扰动τ
d
的观测值，K0∈R3×3为由正定参数组成的设计矩阵；在实际情况中，无法通过观测值直接获得，因此导入辅助变量进而设计扰动观测器为：式中，为扰动观测器对系统未建模部分及内外部未知扰动τ
d
的观测值，K0∈R3×3为由正...

【专利技术属性】
技术研发人员：栾添添，吴凯，孙明晓，尤波，徐东昊，佟海艳，姚汉红，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：