CN109752957B - 一种无人艇的制导指令调节器结构及设计方法 - Google Patents

一种无人艇的制导指令调节器结构及设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无人艇的制导指令调节器结构及设计方法，所述的结构包括制导指令调节器和闭环控制器。本发明所设计的无人艇制导指令调节器，对外环给定指令信号进行优化处理，考虑了无人艇的模型不确定性与海洋环境引起的外部扰动问题，并且制导指令调节器优化处理后得到制导指令信号同时满足无人艇的输入约束与状态约束，解决了现有的一些方案中运动学制导律违反无人艇实际物理特性的问题，使得控制性能得到提高。本发明所设计的无人艇制导指令调节器在处理制导信号时不依赖于精确的无人艇模型，无需进行多步的预测计算，节省了无人艇控制系统的计算资源与计算时间，从而能够快速跟踪外部时变指令信号，提高无人艇的机动性。

Description

一种无人艇的制导指令调节器结构及设计方法
技术领域
本发明涉及无人艇运动控制技术领域，尤其是一种无人艇的制导指令调节器结构及设计方法。
背景技术
21世纪是海洋的世纪，海洋资源的认识、开发与保护对人类生存与可持续发展具有重要意义。无人艇在人类认识海洋、开发海洋与保护海洋等方面发挥着不可替代的作用，在军事领域与民用领域具有广泛的应用前景，例如：利用无人艇搭载不同的调查勘测设备在复杂的海洋环境中执行勘探、安防、搜救、投送等任务。然而无人艇关键技术领域中，无人艇的运动控制技术是实现无人艇工程应用的前提和基础。无人艇的运动控制场景主要包括目标跟踪、轨迹跟踪与路径跟踪。
针对无人艇运动控制问题，已经有了一些可行的技术方案。例如：中国专利CN108319138A提出了一种欠驱动无人艇的滑模-反步双回路轨迹跟踪控制方法，该方法通过设计基于反步法的运动学回路轨迹跟踪控制器与基于滑模控制算法的动力学回路轨迹跟踪控制器来实现对水面无人艇的轨迹跟踪控制。中国专利CN106773713A公开了一种针对欠驱动海洋航行器的高精度非线性路径跟踪控制方法，该方法采用传统视线角制导方法计算期望视线角，并设计基于观测器的非线性路径跟踪控制器，实现对航行器期望路径的精确跟踪控制。
但是，现有的一些无人艇运动控制方案中存在以下几点问题有待解决：
第一，现有的一些无人艇的运动控制方法设计大多仅考虑了无人艇的模型不确定性与海洋环境引起的外部扰动问题，却忽略了无人艇的运动控制中所存在的一些不可避免的约束问题，例如状态约束、输入约束。忽略这些约束问题所设计出的运动学制导律可能会违反无人艇的实际特性，使得控制性能大大降低，严重时甚至会导致控制失效。
第二，现有的处理约束问题的方法有障碍函数设计、辅助系统设计和模型预测控制方法等。但障碍函数设计仅考虑了输出约束而非输入与状态约束，辅助系统设计仅考虑了输入约束却没考虑到状态约束，模型预测控制方法考虑到了输入与状态约束，却高度依赖于精确的无人艇模型，并且计算量较大，对时变信号的跟踪性能差。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种既能提高控制性能，又结构简单、计算量小、能够快速跟踪时变指令信号的无人艇的制导指令调节器结构及设计方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种无人艇的制导指令调节器结构，包括制导指令调节器和闭环控制器；
所述的制导指令调节器由作差单元1、作差单元2、转置单元1、转置单元2、乘法单元1、乘法单元2、增益单元1、增益单元2、求和单元、作差单元3、偏导单元、激活函数投影单元、作差单元4和积分单元组成，所述的作差单元1的输入端分别与积分单元输出端和指令发生器输出端相连；转置单元1的输入端与作差单元1的输出端相连；乘法单元1的输入端分别与作差单元1的输出端和转置单元1的输出端相连；增益单元1的输入端与乘法单元1的输出端相连；作差单元2的输入端分别与无人艇的输出端和积分单元的输出端相连；转置单元2的输入端与作差单元2的输出端相连；乘法单元2的输入端分别与作差单元2的输出端和转置单元2的输出端相连；增益单元2的输入端与乘法单元2的输出端相连；求和单元的输入端分别与增益单元1的输出端和增益单元2的输出端相连，求和单元的输出端与偏导单元连接；作差单元4的输入端分别与积分单元的输出端和偏导单元的输出端相连；激活函数投影单元的输入端分别与作差单元4的输出端和闭环控制器的集总不确定性输出端相连；作差单元3的输入端分别与激活函数投影单元的输出端和积分单元的输出端相连；积分单元的输入端与作差单元3的输出端相连；积分单元的输出端与闭环控制器的输入端相连，闭环控制器的输出端与无人艇的输入端相连。
所述的积分单元的输出端即为制导指令调节器的输出端，所述的制导指令调节器的输入信号为外部给定速度指令信号与无人艇输出的当前速度信号；无人艇的输入端与闭环控制器的输出端相连。
一种无人艇的制导指令调节器结构的设计方法，所述的无人艇满足下面的三自由度动力学模型：
Figure GDA0003115562020000031
其中：
Figure GDA0003115562020000032
代表惯性矩阵，其中mu、mv和mq分别代表纵向、横向和艏摇角方向的惯性参数；
Figure GDA0003115562020000033
表示无人艇的速度信号，u、v和q分别代表纵向速度分量、横向速度分量以及艏摇角速度分量，
Figure GDA0003115562020000034
代表无人艇的速度信号X的导数；
Figure GDA0003115562020000035
表示无人艇的输入控制量，τu、τv和τq分别代表纵向、横向以及艏摇角的控制分量；
Figure GDA0003115562020000036
表示由无人艇建模不确定性与在海洋环境中所受的外部扰动构成的集总不确定性，σu、σv和σq分别代表纵向、横向以及艏摇角速度方向的集总不确定性分量。
所述的方法，包括下述步骤：
A.闭环控制器的设计
闭环控制器的输入信号分别为最优制导信号X0与无人艇的当前速度信号X，输出信号为集总不确定性信号
Figure GDA0003115562020000037
和无人艇的输入控制量U；具体设计方法如下：
Figure GDA0003115562020000038
其中：
Figure GDA0003115562020000039
表示最优制导信号，其中u0、v0和q0分别表示横向制导指令信号、纵向制导指令信号和艏摇角制导指令信号；
Figure GDA00031155620200000310
表示一个增益矩阵，其中ku、kv和kq表示三个常数；
Figure GDA00031155620200000311
表示集总不确定性σ的观测值，其中
Figure GDA00031155620200000312
和
Figure GDA00031155620200000313
分别代表纵向、横向以及艏摇角速度方向的集总不确定性分量的观测值；
具体观测方法设计如下：
Figure GDA00031155620200000314
其中：
Figure GDA0003115562020000041
分别代表两个增益矩阵，
Figure GDA0003115562020000042
代表无人艇的当前速度信号X的观测值，
Figure GDA0003115562020000043
代表
Figure GDA0003115562020000044
的导数，
Figure GDA0003115562020000045
代表集总不确定性观测值
Figure GDA0003115562020000046
的导数。
B.制导指令调节器的设计
制导指令调节器的输入信号为外部给定速度指令信号Xc、无人艇输出的当前速度信号X和闭环控制器的集总不确定性观测信号
Figure GDA0003115562020000047
具体设计方法如下：
Figure GDA0003115562020000048
其中：
Figure GDA0003115562020000049
表示激活函数，其中Pu、Pv和Pq分别代表纵向、横向和艏摇角方向的激活函数分量；
Figure GDA00031155620200000410
表示评价函数，其中Ju(u0)、Jv(v0)和Jq(q0)分别代表纵向、横向和艏摇角方向的评价函数分量；
Figure GDA00031155620200000411
表示评价函数J的偏导。
评价函数具体设计方法如下：
Figure GDA00031155620200000412
其中：
Figure GDA00031155620200000413
和
Figure GDA00031155620200000414
为正常数。
激活函数P＝(Pu Pv Pq)T的具体设计方法如下：
Figure GDA00031155620200000415
Figure GDA00031155620200000416
Figure GDA00031155620200000417
其中：约束变量lu、hu、lv、hv、lq、hq的选取方法如下：
Figure GDA0003115562020000051
Figure GDA0003115562020000052
Figure GDA0003115562020000053
其中：
Figure GDA0003115562020000054
和
Figure GDA0003115562020000055
代表纵向速度、横向速度和艏摇角速度的状态约束的下界；
Figure GDA0003115562020000056
和
Figure GDA0003115562020000057
代表纵向速度、横向速度和艏摇角速度的状态约束的上界；
Figure GDA0003115562020000058
和
Figure GDA0003115562020000059
代表纵向、横向和艏摇角方向的控制输入约束的下界，
Figure GDA00031155620200000510
和
Figure GDA00031155620200000511
代表纵向、横向和艏摇角方向的控制输入约束的上界。
相比现有技术，本发明的有益效果是：
第一，本发明所设计的无人艇制导指令调节器，对外环给定指令信号进行优化处理，考虑了无人艇的模型不确定性与海洋环境引起的外部扰动问题，并且制导指令调节器优化处理后得到制导指令信号同时满足无人艇的输入约束与状态约束，解决了现有的一些方案中运动学制导律违反无人艇实际物理特性的问题，使得控制性能得到提高。
第二，本发明所设计的无人艇制导指令调节器在处理制导信号时不依赖于精确的无人艇模型，与现有的模型预测方法相比，本发明无需进行多步的预测计算，节省了无人艇控制系统的计算资源与计算时间，从而能够快速跟踪外部时变指令信号，提高无人艇的机动性。
第三，本发明所设计的无人艇制导指令调节器，当将无人艇满足下面的三自由度动力学模型(1)中控制分量τv设置为零的时候，则该模型就变换为欠驱动无人艇的模型，表明本发明所设计的方法既适用于全驱动无人艇，同时也适用于欠驱动无人艇的制导指令调节。
附图说明
本发明共有附图7张，其中：
图1是无人艇制导指令调节器结构示意图。
图2是纵向集总不确定性观测示意图。
图3是艏摇角速度方向集总不确定性观测示意图。
图4是纵向速度控制分量示意图。
图5是艏摇角速度控制分量示意图。
图6是纵向速度跟踪效果示意图。
图7是艏摇角速度跟踪效果示意图。
具体实施方式
本发明涉及的无人艇的制导指令调节器结构示意图如图1所示。下面针对一个具体的无人艇跟踪外部给定速度指令信号为例对本发明进行进一步说明。
实时给定外部速度指令信号，经过无人艇制导指令调节器优化后输出优化制导信号给闭环控制器，使得无人艇实时准确跟踪外部速度指令信号。无人艇指令调节器结构与设计方法满足式(1)-(11)，具体的控制参数如下：
Figure GDA0003115562020000061
Figure GDA0003115562020000062
其中：mu＝32.2；mv＝34；mq＝6.6；ku＝2；kv＝2；kq＝2；
Figure GDA0003115562020000063
Figure GDA0003115562020000064
u＝-2；
Figure GDA0003115562020000065
q＝-1.2。
仿真结果如图2-7所示。图2是纵向集总不确定性观测示意图，其中线条σu为纵向集总不确定性的实际值，线条
Figure GDA0003115562020000066
为纵向集总不确定性的观测值，由图2可以看出线条σu与线条
Figure GDA0003115562020000067
吻合程度很高；图3是艏摇角速度方向集总不确定性观测示意图，其中线条σq为艏摇角速度方向集总不确定性实际值，线条
Figure GDA0003115562020000068
为艏摇角速度方向集总不确定性的观测值，由图3可以看出线条σq与线条
Figure GDA0003115562020000071
吻合程度很高；图2-3表明本发明所设计方法对集总不确定性有良好的观测效果。图4是纵向控制分量示意图，其中虚线为纵向控制输入约束的上下界限，线条τu为闭环控制器所给出的纵向控制分量，由图4可以看出所给出的控制输入分量在控制输入约束上下界限内，满足输入约束要求。图5是艏摇角速度方向控制分量示意图，其中虚线为艏摇角速度方向控制输入约束的上下界限，线条τq为闭环控制器所给出的艏摇角速度方向控制分量，由图5可以看出所给出的控制输入分量在控制输入约束上下界限内，没有违反输入约束要求。图6是纵向速度跟踪效果示意图，线条uc为指令发生器给出的纵向速度指令信号，线条u0为无人艇的制导指令调节器给出的纵向制导指令信号，线条u为无人艇的实际纵向速度信号，由图6可以看出线条u与线条u0吻合度极高，并且很快跟踪上线条uc。图6表明无人艇制导指令调节器能够实时给出最优的纵向制导指令信号，使得无人艇准确跟踪上纵向速度指令信号。图7是艏摇角速度跟踪效果示意图，线条qc为指令发生器给出的艏摇角速度指令信号，线条q0为无人艇的制导指令调节器给出的艏摇角制导指令信号，线条q为无人艇的实际艏摇角速度信号，由图7可以看出线条q与线条q0吻合度很高，并且很快跟踪上线条qc。图7表明无人艇制导指令调节器能够实时给出最优的艏摇角制导指令信号，使得无人艇准确跟踪上艏摇角速度指令信号。
本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种无人艇的制导指令调节器结构，其特征在于：包括制导指令调节器和闭环控制器；
所述的制导指令调节器由作差单元1、作差单元2、转置单元1、转置单元2、乘法单元1、乘法单元2、增益单元1、增益单元2、求和单元、作差单元3、偏导单元、激活函数投影单元、作差单元4和积分单元组成，所述的作差单元1的输入端分别与积分单元输出端和指令发生器输出端相连；转置单元1的输入端与作差单元1的输出端相连；乘法单元1的输入端分别与作差单元1的输出端和转置单元1的输出端相连；增益单元1的输入端与乘法单元1的输出端相连；作差单元2的输入端分别与无人艇的输出端和积分单元的输出端相连；转置单元2的输入端与作差单元2的输出端相连；乘法单元2的输入端分别与作差单元2的输出端和转置单元2的输出端相连；增益单元2的输入端与乘法单元2的输出端相连；求和单元的输入端分别与增益单元1的输出端和增益单元2的输出端相连，求和单元的输出端与偏导单元连接；作差单元4的输入端分别与积分单元的输出端和偏导单元的输出端相连；激活函数投影单元的输入端分别与作差单元4的输出端和闭环控制器的集总不确定性输出端相连；作差单元3的输入端分别与激活函数投影单元的输出端和积分单元的输出端相连；积分单元的输入端与作差单元3的输出端相连；积分单元的输出端与闭环控制器的输入端相连，闭环控制器的输出端与无人艇的输入端相连；
所述的积分单元的输出端即为制导指令调节器的输出端，所述的制导指令调节器的输入信号为外部给定速度指令信号与无人艇输出的当前速度信号；无人艇的输入端与闭环控制器的输出端相连。
2.一种无人艇的制导指令调节器结构的设计方法，其特征在于：所述的无人艇满足下面的三自由度动力学模型：
Figure FDA0003115562010000011
其中：
Figure FDA0003115562010000012
代表惯性矩阵，其中mu、mv和mq分别代表纵向、横向和艏摇角方向的惯性参数；
Figure FDA0003115562010000021
表示无人艇的速度信号，u、v和q分别代表纵向速度分量、横向速度分量以及艏摇角速度分量，
Figure FDA0003115562010000022
代表无人艇的速度信号X的导数；
Figure FDA0003115562010000023
表示无人艇的输入控制量，τu、τv和τq分别代表纵向、横向以及艏摇角的控制分量；
Figure FDA0003115562010000024
表示由无人艇建模不确定性与在海洋环境中所受的外部扰动构成的集总不确定性，σu、σv和σq分别代表纵向、横向以及艏摇角速度方向的集总不确定性分量；
所述的方法，包括下述步骤：
A.闭环控制器的设计
闭环控制器的输入信号分别为最优制导信号X0与无人艇的当前速度信号X，输出信号为集总不确定性信号
Figure FDA0003115562010000025
和无人艇的输入控制量U；具体设计方法如下：
Figure FDA0003115562010000026
其中：
Figure FDA0003115562010000027
表示最优制导信号，其中u0、v0和q0分别表示纵 向 制导指令信号、横向 制导指令信号和艏摇角制导指令信号；
Figure FDA0003115562010000028
表示一个增益矩阵，其中ku、kv和kq表示三个常数；
Figure FDA0003115562010000029
表示集总不确定性σ的观测值，其中
Figure FDA00031155620100000210
和
Figure FDA00031155620100000211
分别代表纵向、横向以及艏摇角速度方向的集总不确定性分量的观测值；
具体观测方法设计如下：
Figure FDA00031155620100000212
其中：
Figure FDA00031155620100000213
分别代表两个增益矩阵，
Figure FDA00031155620100000214
代表无人艇的当前速度信号X的观测值，
Figure FDA00031155620100000215
代表
Figure FDA00031155620100000216
的导数，
Figure FDA00031155620100000217
代表集总不确定性观测值
Figure FDA00031155620100000218
的导数；
B.制导指令调节器的设计
制导指令调节器的输入信号为外部给定速度指令信号Xc、无人艇输出的当前速度信号X和闭环控制器的集总不确定性观测信号
Figure FDA0003115562010000031
具体设计方法如下：
Figure FDA0003115562010000032
其中：
Figure FDA0003115562010000033
表示激活函数，其中Pu、Pv和Pq分别代表纵向、横向和艏摇角方向的激活函数分量；
Figure FDA0003115562010000034
表示评价函数，其中Ju(u0)、Jv(v0)和Jq(q0)分别代表纵向、横向和艏摇角方向的评价函数分量；
Figure FDA0003115562010000035
表示评价函数J的偏导；
评价函数具体设计方法如下：
Figure FDA0003115562010000036
其中：
Figure FDA0003115562010000037
和
Figure FDA0003115562010000038
为正常数；
激活函数P＝(Pu Pv Pq)T的具体设计方法如下：
Figure FDA0003115562010000039
Figure FDA00031155620100000310
Figure FDA00031155620100000311
其中：约束变量lu、hu、lv、hv、lq、hq的选取方法如下：
Figure FDA00031155620100000312
Figure FDA0003115562010000041
Figure FDA0003115562010000042
其中：
Figure FDA0003115562010000043
和
Figure FDA0003115562010000044
代表纵向速度、横向速度和艏摇角速度的状态约束的下界；
Figure FDA0003115562010000045
和
Figure FDA0003115562010000046
代表纵向速度、横向速度和艏摇角速度的状态约束的上界；
Figure FDA0003115562010000047
和
Figure FDA0003115562010000048
代表纵向、横向和艏摇角方向的控制输入约束的下界，
Figure FDA0003115562010000049
和
Figure FDA00031155620100000410
代表纵向、横向和艏摇角方向的控制输入约束的上界。
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