水面无人艇的跟踪控制器设计方法技术

本发明专利技术公开了一种水面无人艇的跟踪控制器设计方法，包括：构建带有外部未知扰动和执行器故障的水面无人艇的动力学模型，引入固定时间预设性能函数调节水面无人艇的暂态性能和稳态性能；采用带有神经网络逼近的串并联估计模型获得预测误差调节复合参数更新律；构建扰动观测器观测复合扰动；构建两种自适应律补偿未知执行器故障；结合自触发控制机制设计基于学习预设性能弹性轨迹跟踪控制器。本发明专利技术提高了对外部未知扰动和模型不确定部分的估计精度；有效降低水面无人艇对执行器故障的敏感程度；确保在执行器故障和网络带宽受限的情况下，仍然精准地跟踪参考轨迹；并且跟踪性能指标可以根据需求调节。标可以根据需求调节。标可以根据需求调节。

【技术实现步骤摘要】
水面无人艇的跟踪控制器设计方法


[0001]本专利技术涉及水面无人艇轨迹跟踪控制
，具体而言，涉及一种水面无人艇基于学习预设性能弹性轨迹跟踪控制器设计方法。

技术介绍

[0002]水面无人艇具有高机动性、智能化、模块化等优势，在军事领域和民事领域得到广泛应用。然而，恶劣海况所引起的外部扰动和自身的非线性、模型不确定等因素，使得水面无人艇的轨迹跟踪控制问题变得更加复杂。值得注意，申请公布号CN 111158383 A和公布号CN 114442640A的专利申请，尽管实现水面无人艇精确的轨迹跟踪控制，但同时忽略跟踪误差收敛时的暂态性能(最大超调量、收敛时间、稳态误差等)。并且，申请公布号CN 111158383 A和申请公布号CN 113671964 A的专利申请采用神经网络智能系统近似水面无人艇模型不确定部分和非线性，但忽略近似策略的初衷，仅仅采用跟踪误差来调节神经网络的权重。
[0003]此外，上述专利技术专利申请的控制方法都是基于时间控制框架，控制信号持续更新，传输大量的冗余数据，造成执行器的机械磨损；另外，执行器故障将会降低执行器的效率，导致跟踪精度下降，甚至造成水面无人艇闭环系统不稳定；然而，上述专利技术专利申请都假设执行器始终正常运行，显然不符合实行条件。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术中的不足，本专利技术针对含有外部未知扰动和执行器故障的水面无人艇提供一种基于学习预设性能弹性轨迹跟踪控制器设计方法，该方法保证水面无人艇在网络通信资源受限和执行器故障条件下，精准地沿着参考轨迹航行，并实现预设的暂态性能和稳态性能指标。
[0005]本专利技术采取的技术方案如下：
[0006]一种水面无人艇的跟踪控制器设计方法，包括以下步骤：
[0007]S1、构建带有外部未知扰动和执行器故障的水面无人艇的动力学模型；
[0008]S2、根据动力学模型，引入固定时间预设性能函数ι
i
(t)约束跟踪误差e
1i
(t)，通过误差转换函数Υ
i
(η
i
(t))和等式关系e
1i
(t)＝ι
i
(t)Υ
i
(η
i
(t))，将受到固定时间预设性能函数ι
i
(t)约束的跟踪误差e
1i
(t)转换为不受约束的等效误差
[0009]S3、根据等效误差基于自适应指令滤波反推控制方法，构建坐标变换方程，引入误差变量向量和将水面无人艇系统分解为两级子系统；
[0010]S4、基于坐标变换方程，针对水面无人艇系统的第一级子系统，建立李雅普诺夫函数V1，设计虚拟控制器α1和误差补偿信号使得水面无人艇的第一级子系统趋于稳定，进而获得待设计控制器增益；通过李雅普诺夫函数V1的时间导数确认虚拟控制器α1和误差补偿信号使得水面无人艇系统的第一级子系统趋于稳定；
[0011]S5、针对水面无人艇系统的第二级子系统，建立李雅普诺夫函数V2，引入自触发控制机制，设计基于学习预设性能弹性轨迹跟踪控制器κ
im
(t)，采用带有神经网络逼近的串并联估计模型获得预测误差Λ
2i
，设计扰动观测器观测复合扰动，构建复合参数更新律自适应律和自适应律使得水面无人艇系统的第二级子系统趋于稳定，获得待设计控制器增益，通过李雅普诺夫函数V2的时间导数确认轨迹跟踪控制器κ
im
(t)、扰动观测器复合参数更新律自适应律和自适应律使得水面无人艇系统的第二级子系统趋于稳定；
[0012]S6、针对水面无人艇系统构建整体的李雅普诺夫函数
[0013]V＝V1+V2，
[0014]基于李雅普诺夫函数稳定理论，保证水面无人艇闭环系统的所有信号都是半全局最终一致有界，并且有效避免芝诺效应，实现期望的跟踪性能。
[0015]在本专利技术的一较佳实施方式中，步骤S1中，水面无人艇的动力学模型为：
[0016][0017]式中：为水面无人艇在(x,y)平面下的位置坐标以及在固定地面坐标系中的航向角坐标系中的航向角为旋转矩阵，且满足且满足u表示水面无人艇的前进速度，v表示水面无人艇的摇摆速度，r表示水面无人艇的转向角速度；其中其中ΔM，ΔC以及ΔD为模型不确定部分，为惯性矩阵，且满足且满足为科里奥利和向心项的矩阵，且满足C(ν)＝
‑
C
T
(ν)，为阻尼矩阵；且为外部未知扰动，且为水面无人艇的控制输入。
[0018]在本专利技术的一较佳实施方式中，水面无人艇故障模型为：
[0019][0020]式中：和为未知故障参数，为执行器效率系数，为执行器偏执故障，为理想控制输入，为故障的持续时间间隔，b
im
为已知控制器增益，m为执行器的个数，j为执行器故障的模式。
[0021]在本专利技术的一较佳实施方式中，步骤S2中，误差转换函数Υ
i
(η
i
(t))为：
[0022][0023]在本专利技术的一较佳实施方式中，步骤S2中，固定时间预设性能函数ι
i
(t)为：
[0024][0025]式中：和为固定时间预设性能函数的初始值和稳态值，为待设计的收敛时间。
[0026]在本专利技术的一较佳实施方式中，步骤S3中，坐标变换方程为：
[0027][0028]式中：和为误差变量向量，为误差变量向量，为一阶滤波器的输出信号，一阶滤波器表示为：
[0029][0030]式中：γ
i
为待设计的正参数，α
1i
为一阶滤波器的输入信号，和α
1i
(0)表示其初始值，为滤波误差。
[0031]在本专利技术的一较佳实施方式中，步骤S4中，李雅普诺夫函数V1为：
[0032][0033]在本专利技术的一较佳实施方式中，步骤S4中，虚拟控制器α1和误差补偿信号满足以下公式：
[0034][0035][0036]式中：和为正定矩阵，且和和和
[0037][0037]为参考轨迹ζ
d
的时间导数；为误差补偿信号的范数。
[0038]在本专利技术的一较佳实施方式中，步骤S5中，李雅普诺夫函数V2为：
[0039][0040]式中：和为估计误
差，差，和分别为θ
2i
，D
2i
，Π
2i
和Ψ
2i
的估计值，λ
2i
，μ1和为正常数。
[0041]在本专利技术的一较佳实施方式中，自触发控制机制的触发规则表示为：
[0042][0043][0044][0045][0046]式中：i＝1,2,3，δ
im
，M
im
，N
im
，c
2i
，和k
i
为待设计控制器增益，||E
i
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水面无人艇的跟踪控制器设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、构建带有外部未知扰动和执行器故障的水面无人艇的动力学模型；S2、根据动力学模型，引入固定时间预设性能函数ι
i
(t)约束跟踪误差e
1i
(t)，通过误差转换函数Υ
i
(η
i
(t))和等式关系e
1i
(t)＝ι
i
(t)Υ
i
(η
i
(t))，将受到固定时间预设性能函数ι
i
(t)约束的跟踪误差e
1i
(t)转换为不受约束的等效误差S3、根据等效误差基于自适应指令滤波反推控制方法，构建坐标变换方程，引入误差变量向量和将水面无人艇系统分解为两级子系统；S4、基于坐标变换方程，针对水面无人艇系统的第一级子系统，建立李雅普诺夫函数V1，设计虚拟控制器α1和误差补偿信号使得水面无人艇的第一级子系统趋于稳定，进而获得待设计控制器增益，通过李雅普诺夫函数V1的时间导数确认虚拟控制器α1和误差补偿信号使得水面无人艇系统的第一级子系统趋于稳定；S5、针对水面无人艇系统的第二级子系统，建立李雅普诺夫函数V2，引入自触发控制机制，设计基于学习预设性能弹性轨迹跟踪控制器κ
im
(t)，采用带有神经网络逼近的串并联估计模型获得预测误差Λ
2i
，设计扰动观测器观测复合扰动，构建复合参数更新律自适应律和自适应律使得水面无人艇系统的第二级子系统趋于稳定，获得待设计控制器增益，通过李雅普诺夫函数V2的时间导数确认轨迹跟踪控制器κ
im
(t)、扰动观测器复合参数更新律自适应律和自适应律使得水面无人艇系统的第二级子系统趋于稳定；S6、针对水面无人艇系统构建整体的李雅普诺夫函数V＝V1+V2，基于李雅普诺夫函数稳定理论，保证水面无人艇闭环系统的所有信号都是半全局最终一致有界，并且有效避免芝诺效应，实现期望的跟踪性能。2.根据权利要求1所述水面无人艇的跟踪控制器设计方法，其特征在于，步骤S1中，水面无人艇的动力学模型为：式中：为水面无人艇在(x,y)平面下的位置坐标以及在固定地面坐标系的航向角系的航向角为旋转矩阵，且满足且满足u表示水面无人艇的前进速度，v表示水面无人艇的摇摆速度，r表示水面无人艇的转向角速度；其中其中ΔM，ΔC以及ΔD代表模型不确定部分，为惯性矩阵，且满足且满足为科里奥利和向心项的矩阵，且满足C(ν)＝
‑
C
T
(ν)，为阻尼矩阵；其中
为外部未知扰动，其中为水面无人艇的控制输入。3.根据权利要求2所述水面无人艇的跟踪控制器设计方法，其特征在于，水面无人艇故障模型为：式中：和为未知故障参数，为执行器效率系数，为执行器偏执故障，为理想控制输入，为故障的持续时间间隔，b
...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋帅，吴承霖，宋晓娜，冯博洋，王新勇，李阁强，宋雨龙，
申请(专利权)人：河南科技大学，
类型：发明
国别省市：