CN113220000B - 一种面向水下探测作业的无人艇路径跟踪预设性能控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明专利提供了一种面向水下探测作业的无人艇路径跟踪预设性能控制方法及系统。首先基于性能函数进行误差转换，为预设性能控制技术实施奠定基础。随后基于反演设计方法提出了一种新型预设性能虚拟速度律；同时，为避免后续动力学控制律出现奇异，设计了可视系统状态变化在零点邻域内外切换的预设性能制导律；进一步得到了可确保系统误差变量时刻处于预设约束的期望俯仰角速度；并基于模糊监督机制设计了时延影响下的鲁棒动力学控制器。最后将这一控制方法基于计算机语言编程嵌入艇载计算装置，形成计算机可读存储介质，用于计算前述预设性能路径跟踪控制律，得到控制指令，驱动执行机构模块动作，实现精准稳定路径跟踪，可确保无人艇水下探测过程中的作业精度和安全性。

Description

一种面向水下探测作业的无人艇路径跟踪预设性能控制方法 及系统

技术领域

本发明涉及无人艇控制技术领域，更具体地，是一种面向水下探测作业的无人艇路径跟踪预设性能控制方法及系统。

背景技术

海洋作为人类发展的四大战略空间(陆、海、空、天)之一，储藏着约占地球97％的水量，还蕴含着各式各样的海洋能源、矿产资源和生物资源。无人艇以其作业领域广、智能化程度高、监测范围灵活等特点成为一种常用的海洋作业工具。为使其出色地完成待执行的作业任务，其通常需要沿着规划的路径精准自主航行，这也是路径跟踪控制技术研究的初衷。跟踪过程中，无人艇利用所搭载的传感器对目标区域进行全方位探测，为岸基人员提供一手研究资料。值得注意的是路径跟踪控制的精度将直接影响到覆盖区域和探测数据的完整性。因此，无人艇路径跟踪技术已成为海洋航行器控制领域的一大热点。

路径跟踪控制技术的研究由来已久，各种智能算法也被成功的应用到这一控制问题中，但目前大多数路径跟踪控制器往往只能保证闭环系统中在时间无限长时渐进收敛稳定，或者闭环系统信号一致最终有界，瞬态的跟踪误差难以得到保证。而无人艇水下探测作业经常需要近底探测，控制效果的瞬时大幅振荡会对其作业精度带来很大的影响，严重时可能会导致艇出现危险。因此考虑路径跟踪过程瞬态性能的预设性能控制方法设计是十分具有研究意义的，然而现在虽然有部分路径跟踪预设性能控制研究工作，但是均是针对水平面路径跟踪，鲜有深度面预设性能路径跟踪研究工作，这一技术空白亟待填补。

发明内容

本发明所面向水下探测作业安全性及精度需求，解决了执行器时延影响下的无人艇预设性能路径跟踪控制问题。

为实现上述目的，本发明中首先基于性能函数进行误差转换，为预设性能控制技术实施奠定基础。随后基于反演设计方法提出了一种新型预设性能虚拟速度律；同时，为避免后续动力学控制律出现奇异，设计了可视系统状态变化在零点邻域内外切换的预设性能制导律；进一步得到了可确保系统误差变量时刻处于预设约束的期望俯仰角速度；最终基于模糊监督机制设计了时延影响下的鲁棒动力学控制器。所设计的算法通过C语言编程嵌入至包括存储器、处理器的计算装置，形成一种计算机可读存储介质，所述存储介质包括一组计算机可执行指令，当所述指令被执行时用于计算上述预设性能路径跟踪控制律，得到控制指令，驱动执行机构模块动作，实现路径跟踪。

附图说明

图1是本发明中无人艇路径跟踪控制方法及系统框图。

图2是无人艇路径跟踪示意图。

图3是控制系统及主要组成元件示意图。

图4是路径跟踪效果历时曲线。

图5是路径跟踪前向、垂向及俯仰角速度误差历时曲线。

图6是路径跟踪无人艇垂向及俯仰角速度历时曲线。

图7是路径跟踪无人艇控制舵角历时曲线。

实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

整体技术构思：

步骤一：进行误差转换，为预设性能控制策略实施奠定基础。

具体实施过程如下

欠驱动无人艇在深度面的简化运动学模型如下所示：

其中，x、z分别为深度面上的向和垂向位置，u、v、w分别为前向、横向、垂向速度，θ为无人艇纵倾角，q为俯仰角速度。

具有时延特性的动力学模型可以做如下表示

其中，f_q为水动力函数，g_q为舵角增益，λ_δ为舵机时延系数，δ_s为考虑时延的真实舵角，δ_sc为舵角指令。

为后续预设性能控制技术实施，引入如下预设性能函数：

其中，e为原始系统误差变量，e_l、e_u分别为预设性能上下界限，p(e)是一随误差切换的变量，定义如下：

定义路径跟踪误差e_z＝z-z_d,e_x＝x-x_d，基于预设性能函数可将原始路径跟踪系统的误差方程重构为如下新系统：

其中，

e_x,u、e_x,l分别为预设前向误差上下限，而e_z,u、e_z,l为预设垂向误差上下限，

为便于后续表达，记

同时记方程中已知项为

则系统可重新作如下简化表达：

步骤二：采用反步设计方法求取虚拟运动学控制律

具体实施过程如下

本发明中采用如图2所示的虚拟点跟踪方式进行路径跟踪控制器设计，通过设计虚拟点的前进速度和自适应姿态角可以更新参数化期望路径上的虚拟点位置及状态，进而为无人艇提供路径跟踪控制设计的参考输入，引导无人艇趋近于目标路径。

选择第一个李亚普诺夫函数

求导可得

观测分析上式，可得虚拟点的速度律为

其中，k₁为待整定控制参数；

为深度面合速度，u为前向速度，w为垂向速度；v_e＝v-v_p为无人艇与虚拟点方向跟踪误差，v、v_p分别为无人艇与虚拟点的潜伏角；e_z为垂向跟踪误差，κ为参考路径曲率。

同时，为避免当误差v_e-v_TLOS→0时出现运算奇异现象，导致舵角计算指令不合理的问题，设计如下预设性能切换制导律：

处于零点邻域内其表达如下：

其中，

为时变视线制导角；k₂为待整定参数，v_swith为切换阈值。

而当处于非零点邻域内，其制导律表达如下：

进一步可得所跟踪虚拟点的俯仰角速度为：

其中，

为无人艇攻角。

步骤三：设计基于模糊监督机制的动力学控制器

定义俯仰角跟踪误差为q_e＝q-q_d，选择第二个李亚普诺夫函数

对其求导可得

结合其时延动力学模型和切换制导律的特性，可设计如下基于模糊监督机制的动力学控制器：

其中，τ_fuz是被设计以避免奇异性的模糊监督控制器，当误差未进入零点邻域范围内时，其不起作用；当误差进入零点邻域范围内，未被线性抵消的余项被可被如下模糊逼近器进行估计：

其中，ω^*T为理想模糊权值向量，ξ为高斯模糊基，

为有界逼近误差。

通过将这一模糊逼近器与所设计切换控制律相结合，可设计模糊监督控制器监督系统的误差渐进收敛于零点。其具体数学表达如下：

其中，

为最优估计权值向量，其自适应律如下：

其中，γ为待设计参数。

步骤四：最后，将以上控制方法利用C语言编程，嵌入至艇载树莓派4B控制器模块(配置ARM Crotex-A53处理器、Micro SD卡)，形成一种计算机可读存储介质，该介质存储有预编程计算机程序。所述计算机程序被处理器运行时执行以下步骤：

依据通信协议解析深度计、惯导模块等传感器元件所传回的导航信息；

由组合导航系统所传回的姿态角信息，计算模糊逻辑监督机制输出，所述导航系统包括惯导模块和多普勒计程仪；

利用解析状态信息及模糊监督器输出计算预设性能路径跟踪控制律，得到舵角、速度指令；

将上述控制信号转化为执行机构可执行的转速、PWM波信号，输出至执行机构模块，驱动无人艇艉部推进器及艉部水平舵工作，实现精准稳定路径跟踪。实施案例：

为验证本发明中所述控制方法的效果，以某无人艇为仿真对象开展如下仿真试验：无人艇初始位置[x(0),z(0),θ(0)]＝[-4m,18m,0rad]。

仿真结果如下，图4显示了无人艇路径跟踪的效果历时曲线，图5显示了无人艇路径跟踪的前向跟踪误差、垂向跟踪误差和俯仰角速度跟踪误差历时曲线，可见无人艇路径跟踪误差最终会趋向稳定，且瞬态过程的无人艇位姿一直处于预设性能函数上下界限内。图6显示无人艇速度历时曲线，图7显示了路径跟踪时舵角指令的历时曲线，可见在舵机时延特性影响下控制器所给出的舵角仍可完成路径跟踪任务。

Claims (5)

1.一种面向水下探测作业的无人艇路径跟踪预设性能控制方法，其特征是，包括：

首先提出了虚拟点预设性能虚拟速度律；

随后设计了视系统状态变化在零点邻域内外切换的预设性能制导律；

进一步得到了可确保系统误差变量时刻处于预设约束的期望俯仰角速度；

最终基于模糊监督机制设计了鲁棒动力学控制器，实现精准路径跟踪控制；利用组合导航系统将无人艇惯导模块与多普勒计程仪的信息进行融合所推算出姿态角θ，多普勒计程仪所测的速度u、w以及深度计采集的深度信息z，可以如下方式计算虚拟点的预设性能虚拟速度律：

其中，组合导航系统为一种传感器信息处理单元，

e_x为前向跟踪误差，e_x,u、e_x,l分别为预设误差上下限；k₁为待整定控制参数；z_x为转换后的新前向误差，λ_x和f_x为转换后新系统的增益及已知项系数，其计算与θ有关；

为深度面合速度，u为前向速度，w为垂向速度；v_e＝v-v_p为无人艇与虚拟点方向跟踪误差，v、v_p分别为无人艇与虚拟点的潜伏角；e_z＝z-z_d为垂向跟踪误差，z_d为期望深度，κ为参考路径曲率；基于这一虚拟速度律，虚拟点将以这一速度沿期望的参数化路径切线方向运动，据此更新其位置；

所提出的一种预设性能切换制导律在零点邻域内的局部制导律如下：

其中，

为时变视线制导角；

e_z为垂向跟踪误差，e_z,u、e_z,l分别为预设误差上下限；k₂为待整定参数；z_z为转换后的新垂向误差，λ_z为新系统的增益，v_swith为人为设定的切换阈值；所提出的一种预设性能切换制导律在非零点邻域内的全局制导律如下：

其中，f_z为新系统的已知项。

2.如权利要求1所述的一种面向水下探测作业的无人艇路径跟踪预设性能控制方法，其特征在于无人艇的参考俯仰角速度q_d如下：

其中，

为无人艇攻角。

3.如权利要求1所述的一种面向水下探测作业的无人艇路径跟踪预设性能控制方法，其特征在于，无人艇舵角的计算方法为

其中，g_q为舵角增益，q_e＝q-q_d为俯仰角速度误差，其中q为俯仰角速度，q_d为期望俯仰角速度，由组合导航系统测量得到；λ_δ为时延系数；f_q为模型函数；k₃为待设定参数；τ_fuz为模糊监督控制器。

4.如权利要求1所述的一种面向水下探测作业的无人艇路径跟踪预设性能控制方法,其特征在于控制舵角计算方法中处于切换控制律所造成余项的模糊监督控制器如下：

其中，ξ为模糊高斯基向量，

为最优估计模糊权值向量，其自适应律如下：

其中，γ为人为设定参数。

5.一种采用权利要求1-4任一项所述的面向水下探测作业的无人艇路径跟踪预设性能控制方法的控制系统，其特征在于，所述系统包括：

传感信息模块，包括多普勒计程仪、深度计、惯导模块，用于实时获取路径跟踪所需的位置、姿态传感信息；

艇载控制器模块，利用传感信息计算控制输出；

执行机构模块，包括艉部水平舵、艉部推进器用于执行所计算出的舵角和速度指令，实现路径跟踪的同时确保了无人艇的安全性。

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