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专利号: 2023100186692
申请人: 江苏科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-03-02
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于滑模控制的无人艇路径跟踪控制方法,其特征在于,包括:S1、建立惯性坐标系和无人艇附体坐标系,建立欠驱动水面无人艇三自由度的运动学、动力学数学模型;

S2、设计运动学控制器,包括建立无人艇位置跟踪误差和速度跟踪误差,设计附体坐标系下的无人艇航行过程中的纵向速度 和横向速度 的期望速度 、 ,通过期望速度实现对无人艇期望路径的跟踪;

S3、设计动力学控制器,包括采用饱和函数设计改进的纵向推力滑模控制律 ,以及艏向力矩滑模控制律 ,使得无人艇在航行过程中相对于惯性坐标系的纵向和横向速度能跟踪上虚拟控制输入 、 ;

改进的纵向推力滑模控制律为:

艏向力矩滑模控制律为:

其中, ,为无人艇艏摇角速度滑模控制的指数趋近项系数; ,为无人艇艏摇角速度滑模控制的切换增益;

S4、设计辅助系统,用于消除内部扰动和输入饱和对控制性能的影响;辅助系统为:;

其中, 为辅助系统的状态变量, 为 的微分; , , 代表实际输入与最大输入之间的差值, 是大于0常数, , 为正奇数,且满足, >0;

加入辅助系统后的纵向推力控制律和艏向力矩滑模控制律为:;

、 为调节参数;

S5、在控制律中引入事件触发机制,用于节省控制器的计算量以及减少执行器的损耗;

S6、采用步骤S2至S5设计的无人艇路径跟踪控制器对无人艇路径进行跟踪控制,判断是否到达期望目标点,如果到达期望目标点,则切换目标点进行继续跟踪控制;否则,返回步骤S2重新设计无人艇路径跟踪控制器。

2.根据权利要求1所述的一种基于滑模控制的无人艇路径跟踪控制方法,其特征在于,步骤S1中建立的无人艇运动学模型为:;

无人艇动力学模型为:

其中, 是无人艇在惯性坐标系下前进位移、横向位移以及艏向角, 分别为 的微分; 为附体坐标系下前进速度、横漂速度及艏向角速度, 分别为的 微分; 为推力控制输入, 为纵向推力, 为横向推力, ; 为艏向力矩; 表示附体坐标系下的时变干扰; , , , , , 均为系数矩阵参数。

3.根据权利要求1所述的一种基于滑模控制的无人艇路径跟踪控制方法,其特征在于,步骤S2中设计的期望速度 、 为:;

其中, 为控制器增益, 为饱和常数, , 为位置跟踪误差, , 为期望位置, 为双曲正切函数。

4.根据权利要求1所述的一种基于滑模控制的无人艇路径跟踪控制方法,其特征在于,步骤S5中事件触发机制的事件触发条件为:;

其中,代表时刻, 为 时刻, 为 时刻,为状态变量的估计值, 为参考值,为触发阈值;

初始更新时间 定义如下:

5.一种用于权利要求1‑4任一项所述基于滑模控制的无人艇路径跟踪控制方法的控制系统,其特征在于,包括:模型建立模块,用于基于惯性坐标系和无人艇附体坐标系建立水面无人艇三自由度的运动学、动力学数学模型;

控制器建立模块,用于建立水面无人艇跟踪控制器,包括设计运动学控制器、动力学控制器,并在控制器中加入辅助系统以消除内部扰动和输入饱和对控制性能的影响,同时,在控制律中进入事件触发机制,以节省控制器的计算量并减少执行器的损耗;

跟踪控制模块,采用设计的无人艇路径跟踪控制器对无人艇路径进行跟踪控制,判断是否到达期望目标点,如果到达期望目标点,则切换目标点进行继续跟踪控制;否则,返回重新设计无人艇路径跟踪控制器。

6.一种装置设备,其特征在于,包括存储器和处理器,其中:存储器,用于存储能够在处理器上运行的计算机程序;

处理器,用于在运行所述计算机程序时,执行如权利要求1‑4任一项所述一种基于滑模控制的无人艇路径跟踪控制方法的步骤。

7.一种存储介质,其特征在于,所述存储介质上存储有计算机程序,所述计算机程序被至少一个处理器执行时实现如权利要求1‑4任一项所述一种基于滑模控制的无人艇路径跟踪控制方法的步骤。