[发明专利]一种无人艇高性能轨迹跟踪控制系统和方法

说明书

本发明属于无人艇轨迹跟踪控技术领域，具体公开一种无人艇高性能轨迹跟踪控制系统和方法；包括地面岸基系统和无人艇系统；地面岸基系统包括地面工控机、路径规划模块、通信模块和航行监督模块；无人艇系统包括传感器模块、海洋干扰模型生成模块、无人艇模型模块、动力约束模块、驱动模块、滑膜神经网络自适应控制器模块、二次轨迹优化模块和通信模块；本发明以无人艇轨迹跟踪控制系统为主体，对无人艇航行中存在的干扰有较强的抑制作用，保证无人艇能够有效地按照期望的任务轨迹行航行，完成地面岸基系统所期望的任务。

技术领域

本发明属于无人艇轨迹跟踪控技术领域，具体涉及一种无人艇高性能轨迹跟踪控制系统和方法。

背景技术

人类科学技术的发展加速了人类对于海洋资源的探索和开发进程，对于搭载各种传感器和控制器的无人艇的研究成为科研和应用的热点方向。由于海洋环境瞬息万变，当海况发生剧烈变化时，外界环境将对无人艇产生巨大的干扰，同时海上通信环境恶劣容易诱发通讯数据丢失，通讯失效等问题，这都增加了无人艇轨迹跟踪任务的失败。因此，需要设计一种具有容错能力的轨迹跟踪控制方法和系统，来有效的克服执行器故障，减少时变外界扰动和系统不确定性对于无人艇航行过程中的可靠性和稳定性的影响，确保可以高效稳定顺利的进行无人艇航行任务。

发明内容

本发明的目的在于提供一种稳定性好的无人艇高性能轨迹跟踪控制系统，并提供了一种无人艇高性能轨迹跟踪控制方法。

基于上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种无人艇高性能轨迹跟踪控制系统，包括地面岸基系统和无人艇系统；地面岸基系统包括工控机、第一通信模块、路径规划模块和航行监督模块；路径规划模块用于生成无人艇系统的初级任务轨迹，并用于将初级任务轨迹传输至无人艇系统；第一通信模块用于接收和传输信息；航行监督模块用于接收无人艇系统传输的航行状态信息和数字化干扰信息，并用于判断无人艇系统是否偏航；无人艇系统包括传感器模块、海洋干扰模型生成模块、第二通信模块、二次轨迹优化模块、滑膜神经网络自适应控制器模块、动力约束模块、驱动器模块；传感器模块用于观测海洋上的干扰信息，并用于将干扰信息传输至海洋干扰模型生成模块；海洋干扰模型生成模块用于将干扰信息数字化整合，生成数字化干扰信息，并用于将数字化干扰信息传输至航行监督模块、二次轨迹优化模块和滑膜神经网络自适应控制器模块；第二通信模块用于接收和传输信息；二次轨迹优化模块用于接收数字化干扰信息和初级任务轨迹，生成二次优化轨迹，还用于将二次优化轨迹传输至滑膜神经网络自适应控制器模块；滑膜神经网络自适应控制器模块用于生成无人艇系统的航行状态信息，并用于将航行状态信息传输至航行监督模块；滑膜神经网络自适应控制器模块还用于生成理论控制律，并用于将理论控制律传输至动力约束模块；动力约束模块用于对理论控制律进行优化，生成实际控制律，并用于将实际控制律传输至驱动器模块；驱动器模块用于根据实际控制律驱动无人艇系统航行。

进一步的，滑膜神经网络自适应控制器模块包括非奇异快速终端滑模函数、径向基神经网络、自适应控制律和无人艇模型模块；无人艇模型模块用于生成自身的航行状态信息，并用于接收数字化干扰信息；无人艇模型模块还用于生成无人艇数学模型，并用于提供理论控制律计算所需的参数信息；航行状态信息包括自身的位置信息、速度信息和姿态信息；非奇异快速终端滑模函数、径向基神经网络和自适应控制律用于生成理论控制律。

进一步的，传感器模块包括风浪干扰观测传感器和周围环境观测传感器；风浪干扰观测传感器用于获取风、浪信息，周围环境观测传感器用于获取障碍物信息。

进一步的，周围环境观测传感器包括ka波段雷达、海事雷达、双目相机、激光雷达；ka波段雷达和海事雷达用于获取远距离的障碍物信息；双目相机、激光雷达用于获取近距离的障碍物信息；风浪干扰观测传感器包括多普勒海流传感器、风速传感器和风向传感器。

上述无人艇高性能轨迹跟踪控制系统的控制方法，包括以下步骤，