【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及无人船运动控制领域，尤其涉及一种全局固定时间稳定的无人船轨迹跟踪控制方法。
技术介绍
1、近年来，无人船因其成本效益高、机动性强及自主智能程度高的特性，在科学研究、环境监测、海洋资源勘探以及军事应用等领域得到了广泛应用，逐渐成为海洋研究的焦点。无人船的跟踪问题主要包括航迹跟踪、路径跟踪和轨迹跟踪。航迹跟踪是研究跟踪问题的基础，路径跟踪是无人船跟踪一条和时间无关的路径，而轨迹跟踪是跟踪一条受时间约束的参数化路径。因为后者为实时跟踪，在一些特殊场景(如海上紧急救援)中更能发挥其优势。对于欠驱动无人船而言，实现轨迹跟踪的关键在于稳定可靠的控制系统。
2、目前，轨迹跟踪的主要方法包括反步法控制，滑模控制，模型预测控制等。值得注意的是，此类方法在进行跟踪控制时其系统状态误差是渐进稳定的，即系统收敛时间趋于无穷大。随着跟踪要求的提高，上述控制方法不能满足快速高精度跟踪的要求，而固定时间控制技术能弥补这一弊端。
3、固定时间控制技术的出现，为无人船轨迹跟踪提供了新的解决方案。该技术可以确保系统状态在预定的固定时间内收敛，且与有限时间控制技术相比，固定时间控制具有更快的收敛速度，并且其收敛时间不受系统初始条件的影响，这对于无人船轨迹跟踪尤为重要。
4、综上所述，基于固定时间控制技术设计的无人船轨迹跟踪控制系统，不仅应对了传统方法的局限性，而且针对复杂和紧急的海上任务提供了一种高效的解决策略，成为当前船舶跟踪控制领域中的一个研究热点和迫切需求。
技术实现思路p>
1、根据现有技术存在的问题，本专利技术公开了一种全局固定时间稳定的无人船轨迹跟踪控制方法，具体步骤包括：
2、基于无人船位置和速度跟踪误差设计固定时间的无人船速度制导律，建立无人船数学模型，在外界未知干扰有界的条件下设计固定时间干扰观测器；
3、利用固定时间神经网络最小参数法逼近无人船数学模型不确定项；
4、设计固定时间辅助动态系统；
5、设计全局固定时间稳定轨迹跟踪控制策略并对无人船进行跟踪控制。
6、进一步的，设计固定时间的无人船速度制导律时：
7、定义位置和速度跟踪误差：
8、
9、其中，xd和yd是期望位置坐标，ud和vd是船舶期望的纵向和横向速度，对式(4)和式(5)进行求导，得到以下公式：
10、
11、根据固定时间理论，设计如下期望纵向和横向期望速度：
12、
13、其中k1,k2,lx1,lx2,ly1,ly2均为大于零的设计参数，0＜k1＜1,1＜k2，c为大于零的常数。
14、进一步的，设计固定时间干扰观测器时：
15、将无人船数学模型设计为：
16、
17、引入辅助变量其中
18、
19、式中μ1,μ2,μ3,μ4为干扰观测器中大于零的待设计参数，μ2＞τw,max，a,b为正常数，满足：0＜a＜1,b＞1；
20、在外界未知干扰有界的条件下，设计以下固定时间扰动观测器：
21、
22、进一步的，入固定时间神经网络最小参数法逼近模型不确定项时：
23、利用神经网络的万能逼近能力，将无人船数学模型不确定项δu,δv定义如下：
24、
25、其中，wi为理想网络权值，hi为高斯函数的输出，i＝u,v，ε为神经网络的逼近误差，且|ε|≤εn,εn＞0
26、其中神经网络最小参数法取神经网络权值的上界估计值作为神经网络权值的估计值，通过设计参数估计自适应律代替神经网络权值的调整，令φ＝||w||2，φ为正常数，为φ的估计值,定义
27、将最小参数学习法自适应律设计为：
28、
29、其中，b1＝m22vd-m11u，γu,γv,δu,δv,ιu1,ιu2,ιv1,ιv2＞0为带设计参数，κu1＝1/γu,κu2＝1/δu，κv1＝1/γv,κv2＝1/δv。
30、进一步的，设计如下固定时间辅助动态系统：
31、
32、其中，i＝u,r，δτi＝τic-τi表示理想控制输入和经过饱和系统的实际控制输入之差，n1,n2均为正数，且满足0＜n1＜1,n2＞1,φgi是一个趋于零的正常数。
33、进一步的，设计全局固定时间稳定轨迹跟踪控制策略时：
34、设计如下固定时间滑模纵向推进控制器
35、τcu＝ τueq+τuvss (15)
36、其中，
37、
38、设计如下固定时间滑模转艏控制器：
39、τcr＝τreq+τrvss (16)
40、其中，
41、
42、式中，α1,α2,α3为大于零的待设计参数，0＜n1＜1,n2＞1，su和sv是滑模面，其定义如下：
43、
44、式中，λ1,λ2,λ3＞0为设计参数；
45、考虑到输入饱和问题最终的全局固定时间稳定轨迹跟踪控制策略为：
46、
47、其中，i＝u,r。
48、由于采用了上述技术方案，本专利技术提供的一种全局固定时间稳定的无人船轨迹跟踪控制方法，该方法具有如下有益效果：该方法能够确保无人船即便在遭遇未知海洋干扰、模型不确定性及输入饱和的复杂情况下，也能在预定时间内精确跟踪目标轨迹。此外，该方法的收敛时间独立于无人船的初始状态，极大增强了系统的鲁棒性。另外该方法通过数值仿真实验对本专利技术方法的有效性进行了验证，本专利技术方法不仅保障了无人船在面对各种挑战时的轨迹精准跟踪能力，同时展现了更快的收敛速度和卓越的鲁棒性。
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1.一种全局固定时间稳定的无人船轨迹跟踪控制方法，其特征在于包括：
2.根据权利要求1所述的一种全局固定时间稳定的无人船轨迹跟踪控制方法，其特征在于：设计固定时间的无人船速度制导律时：
3.根据权利要求1所述的一种全局固定时间稳定的无人船轨迹跟踪控制方法，其特征在于：设计固定时间干扰观测器时：
4.根据权利要求1所述的一种全局固定时间稳定的无人船轨迹跟踪控制方法，其特征在于：引入固定时间神经网络最小参数法逼近模型不确定项时：
5.根据权利要求1所述的一种全局固定时间稳定的无人船轨迹跟踪控制方法，其特征在于：设计如下固定时间辅助动态系统：
6.根据权利要求1所述的一种全局固定时间稳定的无人船轨迹跟踪控制方法，其特征在于：设计全局固定时间稳定轨迹跟踪控制策略时：
【技术特征摘要】
1.一种全局固定时间稳定的无人船轨迹跟踪控制方法，其特征在于包括：
2.根据权利要求1所述的一种全局固定时间稳定的无人船轨迹跟踪控制方法，其特征在于：设计固定时间的无人船速度制导律时：
3.根据权利要求1所述的一种全局固定时间稳定的无人船轨迹跟踪控制方法，其特征在于：设计固定时间干扰观测器时：
4.根据权利要求1所述的一种全局...
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