[发明专利]一种基于预设性能控制的无人艇视觉伺服控制方法

权利要求书

1.基于预设性能控制的无人艇视觉伺服控制方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

基于大地坐标系，对无人艇构建运动学模型；

根据针孔相机成像原理，对搭载在无人艇上的针孔相机建立针孔相机模型；

结合无人艇运动学模型，利用无人艇体坐标系对针孔相机模型进行坐标变换并建立关于像素坐标的系统动态方程；

对无人艇定义伺服跟踪误差；

根据针孔相机的视角约束，引入性能约束，获得性能函数；

结合性能函数，对伺服跟踪误差进行误差转换获得误差函数；

通过李雅普诺夫设计法设计无人艇视觉伺服控制器、速度观测器及自适应更新律。

2.根据权利要求1所述的基于预设性能控制的无人艇视觉伺服控制方法，其特征在于，所述对无人艇构建运动学模型，具体为：

在大地坐标系中，对无人艇构建运动学模型，表示为：

其中，(x_i，y_i)表示第i台无人艇在大地坐标系中的位置；θ_i为第i台无人艇在大地坐标系中的航向角；u_i、v_i和ω_i分别为第i台无人艇相对于大地坐标系运动的纵荡速度、横荡速度和艏摇角速度。

3.根据权利要求2所述的基于预设性能控制的无人艇视觉伺服控制方法，其特征在于，所述建立针孔相机模型具体为：

根据针孔相机的成像原理，三维空间中的一个点及其投影在针孔相机图像平面上的像，与针孔相机的光学中心三点共线，故对于无人艇上搭载的针孔相机，其针孔相机模型表示为：

其中，(u，v)表示空间点对应的像在图像平面上的像素坐标，(X^c，Y^c，Z^c)为空间点在相机坐标系中的三维位置坐标，A为针孔相机的内参矩阵，形式为：

其中，a_u和a_v分别为图像平面x轴和y轴上的比例因子，a_uv代表x轴和y轴间的畸变因子，(u₀，v₀)表示图像平面中心点的像素坐标。

4.根据权利要求3所述的基于预设性能控制的无人艇视觉伺服控制方法，其特征在于，所述对针孔相机模型进行坐标变换，具体为：

对于第j台无人艇的体坐标系和搭载在其上的针孔相机的相机坐标系有以下的变换关系：

其中，(X^j，Y^j，Z^j)为空间点在第j台无人艇的体坐标系中的坐标，(X^cj，Y^cj，Z^cj)为空间点在第j台无人艇针孔相机的相机坐标系中的三维坐标；

对于一个位于第i台无人艇坐标系z轴上的特征点，即第i个特征点，将其设为第j台无人艇跟踪的目标点，其中i≠j；所述所有无人艇体坐标系的原点距地面的高度是相同的；

则第i个特征点在第i台无人艇、第j台无人艇以及第j台针孔相机的坐标系中的坐标分别记为其中为第i个特征点的高度，得到第i个特征点在第i台和第j台无人艇在坐标系中的变换关系：

其中，(x_i，y_i)表示第i台无人艇在大地坐标系中的位置，(x_j，y_j)表示第j台无人艇在大地坐标系中的位置，θ_j为第j台无人艇在大地坐标系中的航向角；

根据上式(1)和(2)的变换关系及针孔相机模型，得到坐标变换表达式(3)：

其中，表示第i个特征点在第j台针孔相机的图像平面上的像素坐标，a₁、a₂分别为第j台针孔相机内参矩阵A的第一行和第二行。