[发明专利]一种水面无人艇目标跟踪控制方法

说明书

本发明属于船舶控制及调节系统技术领域，涉及对船舶进行最优控制和自适应控制的方法，本发明提供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，方法包括建立三自由度水面无人艇动力学模型以及将其转化为可以类线性推导的非线性系统的步骤和在给定性能指标约束与实际系统性能指标约束下实时求解跟踪近水面目标的最优控制输入的步骤，还包括根据水面无人艇跟踪近水面目标的趋势函数自适应地调节求解最优控制输入过程中需要的参数的步骤。使用本发明的方法进行水面无人艇跟踪控制时，可以高精度求解控制输入，并可在保证跟踪效率的同时自主协调计算精度和计算速度。

技术领域

本发明属于船舶控制及调节系统技术领域，涉及对船舶进行最优控制和自适应控制的方法，具体地，涉及一种水面无人艇对近水面目标进行最优动态跟踪的控制方法。

背景技术

随着海洋开发以及海防建设力度的增大，海上工程或军事任务迫切需要长时间、大范围、低成本的无人运载平台，如水面无人艇等，在某些情况下还需要利用上述水面无人艇对近水面目标进行实时自动跟踪。由于海上补给困难，可携带的能量受限，水面无人艇又属于高度非线性系统，现有技术中的控制方法由于计算量大，解算时间长，并不适用于水面无人艇对近水面目标跟踪的实时控制，因此，在保证跟踪精度的基础上，提高在线计算速度，同时优化能量消耗是该领域内的公认难题。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的问题，本申请的目的在于提供一种能够兼顾计算精度与计算速度，使得水面无人艇能够实时对近水面目标进行最优跟踪的方法。

本申请的实施例可以通过以下技术方案实现：

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，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，为V对时间的导数，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]，所述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；

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：