CN103955218B - 一种基于非线性控制理论的无人艇轨迹跟踪控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种欠驱动无人艇自适应轨迹跟踪控制装置及控制方法。本装置包括参考路径生成器、状态传感器、微分变换器、参数估计器、虚拟控制器以及纵向推力与转艏力矩控制器。状态传感器(2) 采集的无人艇实际位置和航向角以及参考路径生成器(1)产生的参考位置和参考航向角信息，通过微分变换器(5) 得到新的状态变量，然后将新的状态变量及传感器(4)采集的速度和角速度信息，传递给参数估计器(8)和纵向推力及转艏力矩控制器(12)，通过计算得到控制指令去驱动执行机构，调整无人艇的纵向推力和转艏力矩。本发明能够实现在指定时间按指定速度到达指定位置。由于本发明考虑的无人艇是欠驱动的，可以减少系统的能源消耗和制造成本，减少系统的重量。

Description

一种基于非线性控制理论的无人艇轨迹跟踪控制装置及方法

技术领域

本发明是一种无人艇轨迹跟踪控制装置及方法。具体地说是一种基于非线性控制理论的无人艇轨迹跟踪控制装置及方法。

背景技术

水面无人艇是一种具有自主规划、自主航行能力,并可自主完成环境感知、目标探测等任务的小型水面平台,可承担情报收集、 监视侦察、 扫雷、 反潜、精确打击、 搜捕、水文地理勘察, 反恐,中继通信等功能。无人艇根据使命的不同，可采用多种不同的模块，搭载不同的传感器或执行设备,执行任务也显示出多样性。

无人艇航行中，航速变化会引起船体运动模型参数变化而产生不确定性。而风、流、浪的作用，则会产生相应的干扰力和力矩。此外，测量传感误差也会形成相应的扰动。这些都会增加无人艇轨迹跟踪的难度，航行时间的延长甚至可能引发海难。因此，无人艇轨迹控制已成为无人艇运动控制的重要研究内容之一。

无人艇的轨迹跟踪系统是欠驱动的，其原因主要有以下几个方面：(1) 减少成本和重量。对于水面无人艇来说，推进器的成本很高而且消耗系统的能源较大，因而现在大多数水面无人艇是欠驱动力的。(2) 推进效率的影响。当全驱动水面无人艇前进速度增加时，推进器的推力减额将越来越严重，该自由度上的运动很难预测。(3) 系统可靠性的需要。当全驱动系统的一个或多个推进装置驱动失败或失灵时，完全驱动变成欠驱动。轨迹跟踪控制问题的难点在于要求系统在指定时间到达指定位置，它的实现要比路径跟踪困难得多，对于全驱动系统，轨迹跟踪问题已经能够较好解决，而无人艇由于系统的独立控制输入量少于其自由度，使系统具有不可积的加速度约束，并且无人艇的运动学和动力学模型具有高度非线性和耦合性，使控制设计更加困难。无人艇的轨迹跟踪控制的典型方法是利用多变量模型的局部线性化和解耦使系统自由度与控制输入自由度相等，然后利用线性或非线性控制方法设计控制器。然而，这些方法只能保证在选定的运行点邻域内是稳定的。基于李雅普诺夫的非线性设计可以克服上述限制。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷,提供一种能够在惯性质量参数和水动力参数未知情况下基于非线性控制理论的无人艇轨迹跟踪控制装置及方法，实现欠驱动无人艇的轨迹跟踪控制，即在指定时间内按指定速度到达指定位置的欠驱动无人艇轨迹跟踪控制装置。

为了达到上述目的，本发明的构思是：

无人艇轨迹跟踪控制装置，包括参考路径生成器、微分变换器、纵向速度虚拟控制器、艏摇角速度虚拟控制器、参数估计器、纵向推力及转艏力矩控制器，其特征是：状态传感器采集的无人艇实际位置和航向角以及参考路径生成器产生的参考位置和参考航向角信息，通过微分变换器得到新的状态变量，然后将新的状态变量及传感器采集的速度和角速度信息，传递给参数估计器和纵向推力及转艏力矩控制器，通过解算得到控制指令去驱动执行机构，调整无人艇的纵向推力和转艏力矩。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种基于非线性控制理论的无人艇轨迹跟踪控制装置，如图1描述包括参考路径生成器、状态传感器、微分变换器、参数估计器、虚拟控制器、纵向推力及转艏力矩控制器，其特征是：所述参考路径生成器和状态传感器的输出依次经微分变换、虚拟控制器、参数估计器和纵向推力及传感器接输出口；所述纵向推力及转艏力矩控制器的输出还连接至状态传感器，状态传感器的输出还连接至虚拟控制器；状态传感器采集的无人艇实际位置和航向角以及参考路径生成器产生的参考位置和参考航向角信息，通过微分变换器得到新的状态变量，然后将新的状态变量及传感器采集的速度和角速度信息，传递给参数估计器和纵向推力及转艏力矩控制器，通过解算得到控制指令去驱动执行机构，调整无人艇的纵向推力和转艏力矩。

所述虚拟控制器包括纵向速度虚拟控制器和转艏角速度虚拟控制器。所述参考路径生成器通过给定期望纵向速度和艏摇角速度，将产生的位置、航向角信息传递给微分变换器的同时将期望侧向速度信号反馈给参数估计器和角速度虚拟控制器。

所述状态传感器包括位置、角度传感器和线速度、角速度传感器，其连接关系按图1描述；位置、角度传感器采集的信息传递给微分变换器，线速度、角速度传感器采集的信息同时传递给纵向推力及转艏力矩控制器和参数估计器。

所述纵向速度虚拟控制器的输出连接至参数估计器，从而根据新的状态变量信息及参考线速度、参考艏摇角速度信息得到线速度虚拟控制量，然后将该量传递给参数估计器。

所述角速度虚拟控制器根据参考线速度、角速度、实际线速度、角速度、中间状态变量、新的状态变量信息，产生角速度虚拟控制量，然后将该量传递给参数估计器。

所述参数估计器根据参考速度、实际速度及新的状态变量信息，通过李亚普诺夫直接法产生参数的估计值，并将这些信息传递给纵向推力及转艏力矩控制器。

所述纵向推力及转艏力矩控制器包括纵向推力控制器和转艏力矩控制器，针对跟踪误差动态方程根据参考纵向速度、参考艏摇角速度、新的状态变量、参数估计值、实际的线速度和角速度信息，通过李亚普诺夫法和反步法解算出纵向推力和转艏力矩信息传递给无人艇的执行机构，调整无人艇的位置、航向和速度。

一种基于非线性控制理论的无人艇轨迹跟踪控制方法，采用上述装置进行操作，其特征在于操作步骤如下：

a．参考路径生成器通过参考输入产生期望轨迹，得到期望的位置、航向角和速度信息；

b． 位置传感器采集无人艇 的位置、航向角信息，将期望的位置、航向角和当前的状态信息一起传递给微分变换器；

c．微分变换器包括大地坐标到船体坐标变换器和欠驱动项补偿器，大地坐标到船体坐标变换器得到船体坐标系下的状态变量，并将该中间变量信息传递给欠驱动项补偿器，然后由欠驱动项补偿器得到新的状态变量；

d． 虚拟控制器包括纵向线速度虚拟控制和艏摇角速度虚拟控制，线速度控制器根据新的状态变量信息、参考纵向速度、参考艏摇角速度信息产生线速度虚拟控制量，并同时传递给参数估计器和纵向推力控制器；艏摇角速度虚拟控制器根据中间状态变量、参考线速度、角速度、新的状态变量信息产生角速度虚拟控制量，传递给参数估计器；

e．参数估计器利用李亚普诺夫直接法将产生的参数估计值传递给纵向推力控制器和转艏力矩控制器；

f．控制器通过李亚普诺夫法和反步法解算出纵向推力和转艏力矩量传递给无人艇的执行机构，调整无人艇的位置、航向、速度。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：无需已知水动力阻尼参数，实现无人艇在指定时间按指定速度到达指定位置。由于本发明考虑的无人艇是欠驱动的，可以减少系统的能源消耗和制造成本，减少系统的重量，提高推进效率。并且当全驱动系统的一个或多个推进装置驱动失败或失灵时，可以保证无人艇的可靠运行。

附图说明

图1表示本发明所述的系统控制装置的结构图

图2表示无人艇轨迹跟踪仿真示意图。

具体实施方式

下面对本发明优选实施例结合附图进行详细描述

实施例一：

参见图1，本基于非线性控制理论的无人艇轨迹跟踪控制装置，包括参考路径生成器（1）、状态传感器（2）、微分变换器（5）、参数估计器（8）、虚拟控制器（9）、纵向推力及转艏力矩控制器（12），其特征是：所述参考路径生成器（1）和状态传感器（2）的输出依次经微分变换（5）、虚拟控制器（9）、参数估计器（8）和纵向推力及传感器（12）接输出口；所述纵向推力及转艏力矩控制器（12）的输出还连接至状态传感器（2），状态传感器（2）的输出还连接至虚拟控制器（9）；状态传感器（2）采集的无人艇实际位置和航向角以及参考路径生成器（1）产生的参考位置和参考航向角信息，通过微分变换器（5）得到新的状态变量，然后将新的状态变量及传感器采集的速度和角速度信息，传递给参数估计器（8）和纵向推力及转艏力矩控制器（12），通过解算得到控制指令去驱动执行机构，调整无人艇的纵向推力和转艏力矩。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：所述虚拟控制器（9）包括纵向速度虚拟控制器（10）和转艏角速度控制器（11）；所述参考路径生成器（1）通过给定期望纵向速度和艏摇角速度，将产生的位置、航向角信息传递给微分变换器（5）的同时将期望侧向速度信号反馈给参数估计器（8）和转艏角速度虚拟控制器（11）。

所述状态传感器（2）包括位置、角度传感器（3）和线速度、角速度传感器（4）；所述位置、角度传感器（3）的输出连接微分变换器（5）并将采集的信息传递给微分变换器（5），所述线速度、角速度传感器（4）的输出经虚拟控制器（9）后再经参数估计器（8）连接至纵向推力及转艏力矩控制器（12）；从而将采集的信息同时传递给纵向推力及转艏力矩控制器（12）和参数估计器（8）。

所述纵向速度虚拟控制器（10）的输出连接至参数估计器（8）从而根据新的状态变量信息及参考线速度、参考艏摇角速度信息得到线速度虚拟控制量，然后将该量传递给参数估计器（8）。

所述角速度虚拟控制器（11）根据参考线速度、角速度、实际线速度、角速度、中间状态变量、新的状态变量信息，产生角速度虚拟控制量，然后将该量传递给参数估计器（8）。

所述参数估计器（8）根据参考速度、实际速度及新的状态变量信息，通过李亚普诺夫直接法产生参数的估计值，并将这些信息传递给纵向推力及转艏力矩控制器（12）。

所述纵向推力及转艏力矩控制器（12）分为纵向推力控制器（13）和转艏力矩控制器（14），针对跟踪误差动态方程根据参考纵向速度、参考艏摇角速度、新的状态变量、参数估计值、实际的线速度和角速度信息，通过李亚普诺夫法和反步法解算出纵向推力和转艏力矩信息传递给无人艇的执行机构，调整无人艇的位置、航向和速度。

实施例三：

本基于非线性控制理论的无人艇轨迹跟踪控制方法采用基于非线性控制理论的无人艇轨迹跟踪控制装置进行操作，其特征在于，操作步骤如下：

a．参考路径生成器（1）通过参考输入产生期望轨迹，得到期望的位置、航向角和速度信息；

b． 位置角度传感器（3）采集无人艇的位置、航向角信息，将期望的位置、航向角和当前的状态信息一起传递给微分变换器（5）；

c．微分变换器（5）包括大地坐标到船体坐标变换器（6）和欠驱动项补偿器（7），大地坐标到船体坐标变换器（6）得到船体坐标系下的状态变量，并将该中间变量信息传递给欠驱动项补偿器（7），然后由欠驱动项补偿器（7）得到新的状态变量；

d． 虚拟控制器（9）包括纵向线速度虚拟控制器（10）和艏摇角速度虚拟控制器（11），线速度控制器（10）根据新的状态变量信息、参考纵向速度、参考艏摇角速度信息产生线速度虚拟控制量，并同时传递给参数估计器（8）和纵向推力控制器（12）；艏摇角速度虚拟控制器（11）根据中间状态变量、参考线速度、角速度、新的状态变量信息产生角速度虚拟控制量，传递给参数估计器（8）；

e．参数估计器（8）利用李亚普诺夫直接法将产生的参数估计值传递给纵向推力控制器及转艏力矩控制器（12）；

f．纵向推力控制器及转艏力矩控制器（12）通过李亚普诺夫法和反步法解算出纵向推力和转艏力矩量传递给无人艇的执行机构，调整无人艇的位置、航向、速度。

工作原理如下：

参考路径生成器1通过虚拟无人艇模型，得到期望的参考位置信号，，以及参考航向角，将产生的参考信息传递给微分变换器5，通过大地坐标到船体坐标变换器6中的变换矩阵可以得到水面无人艇在惯性坐标系下的前进速度、横移速度、角速度（，，）与船体坐标系下的水面无人艇前进速度、横移速度、转艏角速度（，，）的关系，如下：

同时将期望侧向速度信号反馈给参数估计器8，得到中间状态变量（，，）即跟踪目标误差：

（x方向上船的实际位置与目标位置的误差）

（y方向上船的实际位置与目标位置的误差）

（航向角的误差）

（整体位置的误差）

；

并将结果其发送给欠驱动补偿器7得到跟踪误差动态方程：

其中为整体误差的微分，为航向角度误差的微分，是对位置函数中的变量微分

欠驱动补偿器7将得到的新的中间变量发传递给虚拟控制器9。

虚拟线速度控制器10以及虚拟角速度控制器11根据关系式得到相应的控制参数：

其中是对虚拟线速度的控制；是对虚拟角速度的控制，。

其中k1，k2是调试参数且为正数，稍后会进行赋值，是所设虚拟路径上船的速度函数。我们可以选择速度为常数。

虚拟控制器9将得到的虚拟控制参数发送至参数估计器8

其中的参数关系式如下：

是对（状态量）的估计值，而与是船前进速度与角速度的实际值与目标值的差。分别为 。

均为调试参数将会在编程时被赋值实际值由实验测得，是的第j个元素为欠驱动项补偿矩阵，具体如下：

；

是的第j个元素为状态矩阵

其中与与为船的惯性系数与船前进与横摇速度方向上的动力学参数，由实验测得。

算子proj是利普希茨连续条件（Lipschitz continuity）在程序中是一个子程序以proj命名具体设定如下：

其中，是任意一个小的正数，。

当纵向推力及转艏力矩控制器12接收参数估计器的计算结果后用以下关系式得到最终的纵向推力控制；转艏力矩控制。

本发明的优点在于无需已知水动力阻尼参数，实现无人艇在指定时间按指定速度到达指定位置。由于本发明考虑的无人艇是欠驱动的，可以减少系统的能源消耗和制造成本，减少系统的重量，提高推进效率。并且当全驱动系统的一个或多个推进装置驱动失败或失灵时，可以保证无人艇的可靠运行。

Claims (7)

1.一种基于非线性控制理论的无人艇轨迹跟踪控制装置，包括参考路径生成器（1）、状态传感器（2）、微分变换器（5）、参数估计器（8）、虚拟控制器（9）、纵向推力及转艏力矩控制器（12），其特征是：所述参考路径生成器（1）和状态传感器（2）的输出依次经微分变换器（5）、虚拟控制器（9）、参数估计器（8）和纵向推力及转艏力矩控制器（12）接输出口；所述纵向推力及转艏力矩控制器（12）的输出还连接至状态传感器（2），状态传感器（2）的输出还连接至虚拟控制器（9）；状态传感器（2）采集的无人艇实际位置和航向角以及参考路径生成器（1）产生的参考位置和参考航向角信息，通过微分变换器（5）得到新的状态变量，然后将新的状态变量及传感器采集的速度和角速度信息，传递给参数估计器（8）和纵向推力及转艏力矩控制器（12），通过解算得到控制指令去驱动执行机构，调整无人艇的纵向推力和转艏力矩；所述虚拟控制器（9）包括纵向速度虚拟控制器（10）和转艏角速度虚拟控制器（11）；所述参考路径生成器（1）通过给定参考纵向速度和艏摇角速度，将产生的位置、航向角信息传递给微分变换器（5）的同时将参考侧向速度信号反馈给参数估计器（8）和转艏角速度虚拟控制器（11）。

2.根据权利要求1所述的基于非线性控制理论的无人艇轨迹跟踪控制装置，其特征是：所述状态传感器（2）包括位置、角度传感器（3）和线速度、角速度传感器（4）；所述位置、角度传感器（3）的输出连接微分变换器（5）并将采集的信息传递给微分变换器（5），所述线速度、角速度传感器（4）的输出经虚拟控制器（9）后再经参数估计器（8）连接至纵向推力及转艏力矩控制器（12）；从而将采集的信息同时传递给纵向推力及转艏力矩控制器（12）和参数估计器（8）。

3.根据权利要求2 所述的基于非线性控制理论的无人艇轨迹跟踪控制装置，其特征是：所述纵向速度虚拟控制器（10）的输出连接至参数估计器（8）从而根据新的状态变量信息及参考线速度、参考艏摇角速度信息得到线速度虚拟控制量，然后将该量传递给参数估计器（8）。

4.根据权利要求3 所述的基于非线性控制理论的无人艇轨迹跟踪控制装置，其特征是：所述转艏角速度虚拟控制器（11）根据参考线速度、参考角速度、实际线速度、实际角速度、中间状态变量、新的状态变量信息，产生角速度虚拟控制量，然后将该量传递给参数估计器（8）；所述中间状态变量是大地坐标到所述微分变换器（5）中的一个船体坐标变换器（6）得到船体坐标系下的状态变量。

5.根据权利要求4 所述的基于非线性控制理论的无人艇轨迹跟踪控制装置，其特征是：所述参数估计器（8）根据参考速度、实际速度及新的状态变量信息，通过李亚普诺夫直接法产生参数的估计值，并将这些信息传递给纵向推力及转艏力矩控制器（12）。

6.根据权利要求5 所述的基于非线性控制理论的无人艇轨迹跟踪控制装置，其特征是：所述纵向推力及转艏力矩控制器（12）分为纵向推力控制器（13）和转艏力矩控制器（14），针对跟踪误差动态方程根据参考纵向速度、参考艏摇角速度、新的状态变量、参数估计值、实际的线速度和角速度信息，通过李亚普诺夫法和反步法解算出纵向推力和转艏力矩信息传递给无人艇的执行机构，调整无人艇的位置、航向和速度。

7.一种基于非线性控制理论的无人艇轨迹跟踪控制方法采用根据权利要求1所述的基于非线性控制理论的无人艇轨迹跟踪控制装置进行操作，其特征在于，操作步骤如下：

a．参考路径生成器（1）通过参考输入产生参考轨迹，得到参考的位置、航向角信息；

b．位置、 角度传感器（3）采集无人艇的位置、航向角信息，将参考位置和参考航向角和当前的状态信息一起传递给微分变换器（5）；

c．微分变换器（5）包括大地坐标到船体坐标变换器（6）和欠驱动项补偿器（7），大地坐标到船体坐标变换器（6）得到船体坐标系下的状态变量，并将该状态变量信息传递给欠驱动项补偿器（7），然后由欠驱动项补偿器（7）得到新的状态变量；

d．虚拟控制器（9）包括纵向速度虚拟控制器（10）和转艏角速度虚拟控制器（11），纵向速度虚拟控制器（10）根据新的状态变量信息、参考纵向速度、参考艏摇角速度信息产生线速度虚拟控制量，并同时传递给参数估计器（8）和纵向推力及转艏力矩控制器（12）；转艏角速度虚拟控制器（11）根据上述状态变量、参考线速度、角速度、新的状态变量信息产生角速度虚拟控制量，传递给参数估计器（8）；

e．参数估计器（8）利用李亚普诺夫直接法将产生的参数估计值传递给纵向推力及转艏力矩控制器（12）；

f．纵向推力及转艏力矩控制器（12）通过李亚普诺夫法和反步法解算出纵向推力和转艏力矩量传递给无人艇的执行机构，调整无人艇的位置、航向、速度。