申请/专利权人：中国人民解放军空军工程大学

申请日：2024-01-12

公开（公告）日：2024-04-12

公开（公告）号：CN117872762A

主分类号：G05B13/04

分类号：G05B13/04

优先权：

专利状态码：在审-实质审查的生效

法律状态：2024.04.30#实质审查的生效;2024.04.12#公开

摘要：提供一种六自由度欠驱动无人水面艇的自适应三维轨迹跟踪控制方法，该方法能使得欠驱动无人水面艇系统存在未知水动力学和外界扰动的情况下，保证无人水面艇能够追踪给定的海面轨迹，该方法包括下列步骤：建立六自由度无人水面艇运动学和动力学模型；定义跟踪误差向量以及虚拟误差坐标变换；构建虚拟控制律又称运动学指导律；建立辅助信号和未知水动力学和外界扰动补偿信号；构建补偿输入信号和实际欠驱动输入信号。本发明可根据任务需求，定义时变海面三维运动轨迹，动态地调整无人水面艇的运动轨迹。

主权项：1.一种考虑六自由度欠驱动无人水面艇的自适应三维轨迹跟踪控制方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤1：针对实际运行中的无人水面艇，建立对地坐标系和船体坐标系，得到六自由度欠驱动无人水面艇的运动学和动力学模型如下： 式中：对于后续任意矩阵或向量X，符号表示矩阵或向量X的导数；P＝[ηT,ΦT]T是为无人水面艇的对地坐标系的位置坐标η＝[x,y,z]T和船体坐标系的欧拉角向量组成的第一复合向量矩阵，上角标T表示矩阵的转置，x,y,z分别表示无人水面艇的船体坐标系原点相对于对地坐标系的x轴、y轴和z轴坐标，分别代表横摇角、纵摇角和艏摇角，为无人水面艇在船体坐标系下的线速度向量υ＝[u,v,w]T和角速度向量ω＝[p,q,r]T组成的第二复合向量矩阵，u,v,w分别代表横荡、纵荡和垂荡速度，p,q,r分别代表横摇、纵摇和艏摇角速度，πE是由风、浪涌等环境现象产生的未知扰动向量，π＝[πu,0,0,πp,πq,πr]T是受限于实际情况的欠驱动输入向量，πu表示横荡方向的驱动力，πp,πq,πr分别表示横摇、纵摇和艏摇的驱动力矩，RΦ表示欧拉旋转矩阵，M是系统惯性矩阵，表示科里奥利亚向心矩阵，是阻尼矩阵，ΒP表示引力和浮力矢量；设置虚拟领导者无人艇的参数化三维坐标为ηd＝[xd,yd,zd]T，期望欧拉角向量为xd,yd表示对地坐标系下任务需求的海面路径，其中xd,yd分别表示船体坐标系原点相对于固地坐标系的期望x轴和y轴坐标，zd是无人水面艇的期望垂荡位移，分别表示期望的横摇、纵摇和艏摇角度；为简化虚拟领导者无人艇的表述，虚拟领导者无人艇的三维运动特征表示为步骤2：分别定义跟踪误差向量ξ1以及虚拟误差坐标变换ξ2为 式中：α1是反步递推框架下的虚拟控制器，ηρ是欠驱动补偿向量，其形式为ηρ＝[0,η1ρ1,η2ρ2,η3ρ,η4ρ,η5ρ]T，ρ＝[ρ1,ρ2]T是辅助向量，ρ1、ρ2分别表示横荡和纵荡方向的辅助变量，η1ρ1、η2ρ2、η3ρ、η4ρ、η5ρ为横向函数，其形式分别为ηiρi＝kicos3ρisinρi-sin3ρicosρi，其中下角标i＝1或2，ki为可调整的常数，其中下角标j＝3,4或者5，kj为可调整的常数；步骤3：构建虚拟控制器α1为 式中：c1是可调整的正常数，λR＝λmaxRΦRTΦ表示旋转矩阵RΦ乘以其自身转置RTΦ的最大特征值，λmax·表示矩阵的最大特征值；步骤4：构建辅助信号和未知水动力学和外界扰动补偿信号为 式中：χ是可调整的正常数，上角标-1表示矩阵的逆， 符号表示横向函数η1对辅助变量ρ1求偏导数，η1、η2、η3、η4、η5分别是η1ρ1、η2ρ2、η3ρ、η4ρ、η5ρ的简写，π*为补偿输入信号；步骤5：构建补偿输入信号π*和实际欠驱动输入信号π为 式中：和的值等于补偿输入信号π*的第二行和第三行的值，c2是可调整的正常数。

全文数据：

权利要求：

百度查询： 中国人民解放军空军工程大学 一种六自由度欠驱动无人水面艇的自适应三维轨迹跟踪控制方法

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