[发明专利]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

权利要求书

1.一种高精度非线性路径跟踪控制方法，用于在多不确定性影响下的水面或水下自主式欠驱动海洋航行器，建立欠驱动海洋航行器水平面内包含多不确定性的路径跟踪误差模型和动力学模型，表示为如下三个子系统：

(1)位置子系统

(2)姿态子系统

(3)速度子系统

其中，s为期望路径上某点的横坐标；c_c为期望路径上该点处的曲率；(x_e,y_e,ψ_e)为航行器在Serret-Frenet坐标系下的位置和姿态误差；u、v和r分别为航行器质心在惯性坐标系下的纵向速度、横向速度及航向角速度；v_t为航行器的合成速度，m为航行器质量，I_z为航行器绕z轴的转动惯量；X_u,X_u|u|,Y_v,Y_v|v|,N_r,和N_r|r|为水动力参数；d_u,d_v和d_r为动力学模型总不确定性项，Δm,ΔI_z,ΔX_u,ΔX_u|u|,ΔY_v,ΔY_v|v|,ΔN_r,ΔN_r|r|,为动力学模型参数不确定项，Δτ_u,Δτ_v和Δτ_r为外部环境扰动不确定项，Δ_i(i＝u,v,r)为其它未建模动态；τ_u为外部控制输入力，τ_r为外部控制输入力矩；β为航行器的侧滑角，为侧滑角变化率；

其特征在于，所述方法将航行器的侧滑角变化率看作一个不确定项d_ψ，则姿态子系统中，所述方法实现步骤包括：

步骤一：设计期望视线角ψ_los；

步骤二：设计观测器估计运动学和动力学不确定性；

对运动学不确定性项d_ψ和动力学不确定性项d_u、d_v和d_r，通过观测器进行实时在线观测，得到观测值d_ψ,d_u,d_v和d_r；

步骤三：设计基于观测器的控制器；

采用反步法获取虚拟向导控制律虚拟航向角速度控制律r_d、输入力控制律τ_u及输入力矩控制律τ_r，并对步骤二观测的不确定性d_ψ、d_u、d_v和d_r进行实时补偿；

其中，虚拟航向角速度控制律r_d为：

步骤四：采用跟踪微分器对控制器进行简化，简化后的控制器表示为：

其中，r_c和为虚拟航向角速度控制律r_d通过跟踪微分器后得到的跟踪信号和微分信号。