[发明专利]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

说明书

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。

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：