[发明专利]一种水面无人艇目标跟踪控制方法

权利要求书

1.一种水面无人艇目标跟踪控制方法，用于实时获取t时刻水面无人艇对近水面目标的最优动态跟踪的系统控制输入，其特征在于，包括以下步骤：

S100：建立t时刻的水面无人艇三自由度动力学模型

其中，M为水动力附加质量惯性矩阵，C(V)为理想刚体和水动力科里奥利力矩阵，D(V)为水动力阻尼矩阵，U＝[U_u，U_v，U_r]^T为系统控制输入向量，M、C(V)以及D(V)的具体形式为：

以上矩阵中各元素的值由所述水面无人艇的实际船体结构及t时刻的系统状态决定，V＝[u，v，r]^T为水面无人艇在t时刻的速度及角速度状态，由水面无人艇在t时刻的位置及角度状态η＝[x，y，ψ]^T对时间求导得到，η，V构成水面无人艇在t时刻的状态向量X＝[x，y，ψ，u，v，r]，X对时间的导数具有如下形式：

S200：采用状态相关系数法将所述无人艇三自由度动力学模型转换为如下可以进行类线性推导的系统：

其中，A(X)为t时刻的系统矩阵，B(X)为t时刻的输入矩阵，所述系统矩阵A(X)具体为：

所述输入矩阵B(X)具体为：

其中，α₁～α₈为满足状态相关系数结构要求的一组共8个常数；

S300：构造性能指标J：

其中t₀为跟踪开始时刻，t_f为跟踪结束时刻，X_d为所述近水面目标的状态向量，Q为状态变量权重矩阵，R为能量消耗权重矩阵，所述Q、R由所述水面无人艇的状态及性能决定，为终端误差函数，S(t_f)为将M(X(t_f)，X_d(t_f)，t_f)表示为二次型形式的系数矩阵，使所述性能指标J最小的U即为t时刻的满足最优动态跟踪的系统控制输入向量U_optimal，其具体形式为：

U_optimal＝-R^-1B^T(X)λ₀(3-1)，

其中，λ_o为使所述性能指标J最小的协状态向量；

S400：根据所述水面无人艇跟踪所述近水面目标的趋势函数确定LGR配点数N以及对应的LGR配点τ_i，i＝0.....N，其中，所述LGR配点τ_i为等式L_N(τ)+L_N+1(τ)＝0的N+1个零点，L_N(τ)为N阶Legendre多项式，所述LGR配点数N的取值范围为N≥N_min，其中，N_min为满足跟踪精度需要的最小LGR配点数；

S500：根据所述N个LGR配点τ_i，利用伪谱法生成以下离散形式的矩阵方程组：

其中，A_i、B_i、X_i、为所述A、B、X、X_d在第i个配点处的值，D_ij，i＝0...N，j＝0...N为如下式的N+1阶Lagrange微分矩阵：

S600：求解所述离散形式的矩阵方程组(5-1)得到λ_i，i＝0...N，将λ₀带入式(3-1)得到t时刻的满足最优动态跟踪的系统控制输入：

U_optimal＝-R^-1B^T(X)λ₀；

S700：根据所述U_optimail对所述水面无人艇进行控制后，在t+1时刻重新执行步骤S100至步骤S600；

其中，步骤S400中所述根据所述水面无人艇跟踪所述近水面目标的趋势函数确定LGR配点数N，进一步包括以下步骤：

S410：判断t时刻的所述趋势函数是否处于第一状态区间或第四状态区间，如判断结果为真，则增加LGR配点数N后执行步骤S500，如判断结果为假，则执行步骤S420；

S420：判断t时刻的所述趋势函数是否处于第二状态区间，如判断结果为真，则保持LGR配点数N不变并执行步骤S500，如判断结果为假，则执行步骤S430；

S430：确定t时刻的所述趋势函数处于第三状态区间，进一步判断LGR配点数N是否大于N_min，如判断结果为真，则减小LGR配点数N后执行步骤S500，如判断结果为假，则保持LGR配点数N不变并执行步骤S500；

当所述趋势函数处于所述第一状态区间时，所述水面无人艇远离所述近水面目标；

当所述趋势函数处于所述第二状态区间时，所述水面无人艇靠近所述近水面目标且所述近水面目标的运动状态稳定；

当所述趋势函数处于所述第三状态区间时，所述水面无人艇靠近所述近水面目标且所述近水面目标的运动状态具有细微波动；

当所述趋势函数处于所述第四状态区间时，所述水面无人艇靠近所述近水面目标且所述近水面目标的运动状态具有明显变化。