[发明专利]一种考虑推进器伺服控制的差动水面无人船轨迹跟踪方法

说明书

本发明公开一种考虑推进器伺服控制的差动水面无人船轨迹跟踪方法，本发明以推进器电机的占空比为控制输入，考虑到电机的动态响应，使控制器可以直接应用于实际的差动驱动水面无人船。与现在广泛采用的无人船控制方法相比，本发明：（1）在考虑推进器伺服环动态响应的情况下，使无人水面船的轨迹跟踪误差稳定在一个非常小的有限区间内。（2）以推进器的电机占空比作为系统输入，考虑了推进器电机的动态响应性能，可以直接应用于实际的水面无人船上而不需要其他的修改。

技术领域

本发明属于水面无人船控制技术领域，涉及一种考虑推进器伺服控制的差动水面无人船轨迹跟踪方法。

背景技术

水面无人船是海洋勘探、搜索巡逻、环境监测等领域的重要辅助设备。其中，差动驱动的水面无人船机械结构简单而且操作方便，具有广泛的应用前景。轨迹跟踪是指无人船的位置跟踪期望的时变参考位置，是无人船运动控制的主要目标之一。

差动式无人船通常只有两个平行安装在船体的两侧的推进器，每个推进器提供独立的推力从而实现船的运动控制。其中，纵向平动由两螺旋桨推力之和实现，偏航方向的旋转由两个推进器的推力之差实现，而在横向上没有推力，所以差动驱动水面无人船是欠驱动的。欠驱动无人船的跟踪问题尤其具有挑战性，因为大多数欠驱动系统不是完全反馈线性化的，并且表现出非完整约束。此外，无人船动力学模型是高度非线性和强耦合的，带有未知时变扰动的不利环境以及模型不确定性等困难使得控制器设计更具挑战性。

然而，目前的研究主要集中在外环控制器的设计上，即速度和位置控制，而对推进器伺服内环的研究较少。大多数控制器的目标是设计以推力为控制量的控制律，而不考虑推进器控制。这样的控制器是无法直接使用的，因为我们不能直接向系统输入一个给定的推力值，而是要使用推进器产生推力。一般情况下，差动无人船使用电机螺旋桨作为推进器，电机的占空比作为系统直接的控制输入。因此，有必要用微分方程来描述电机从占空比到推力的动态过程响应。并且，电机的占空比必须限制在-1到1之间，因此控制器设计过程中还必须考虑到输入饱和约束问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种考虑推进器伺服控制的差动水面无人船轨迹跟踪方法，本发明以推进器电机的占空比为控制输入，考虑到电机的动态响应，使控制器可以直接应用于实际的差动驱动水面无人船。

为了实现上述目的，本发明可通过以下技术方案予以实现：

一种考虑推进器伺服控制的差动水面无人船轨迹跟踪方法，该差动水面无人船包括运动学模型，动力学模型和执行器模型，该考虑推进器伺服控制的差动水面无人船轨迹跟踪方法包括以下步骤：

1)通过所述运动学模型，动力学模型和执行器模型建立无人船数学模型，并从传感器获得无人船当前的位置和角度η，给定期望位置轨迹η_1d，计算船体坐标系下的位置跟踪误差；

2)从传感器获得无人船当前的速度v，根据所述位置跟踪误差的动态方程，通过设计运动学控制律，输出速度参考值用于动力学控制律的设计，使位置误差信号收敛；

3)通过与所述动力学模型连接的扰动观测器，估计未知时变的扰动d，并将观测值用于所述动力学控制律的设计；

4)根据实际速度与所述设计速度参考值的误差的动态方程，通过设计动力学控制律，得到推力参考值，并解出推进器电机转速的参考值ω_d用于所述执行器控制律的设计，使速度误差信号收敛；同时在设计过程中通过引入所述扰动观测器的观测值来补偿控制中由扰动和模型不确定性带来的误差；

5)根据实际推进器电机转速与所述推进器电机转速参考值的误差的动态方程，通过设计执行器控制律，得到电机占空比α_c，使转速误差信号收敛；在设计过程中考虑到占空比存在的输入饱和约束，设计了处理输入饱和约束的辅助动态系统，该输入饱和约束辅助动态系统与所述执行器模型相连，直接向无人船输入推进器电机占空比α。