一种具有未知测量灵敏度的自主水面航行器系统跟踪控制方法

本发明涉及自主水面航行器控制，尤其涉及一种具有未知测量灵敏度的自主水面航行器系统跟踪控制方法。

背景技术：

1、在三自由度自主水面航行器系统轨迹跟踪控制方案中，易出现以下问题：系统轨迹跟踪精度受时变干扰（如水流扰动、风浪干扰）影响显著，传统控制方法难以实现动态扰动的实时补偿，稳态跟踪误差易超出允许范围；当系统存在未知动态模型（如船体水动力参数摄动、推进系统特性变化）时，易导致控制律设计与实际系统特性失配，直接引发控制输出偏差，闭环系统稳定性难以保障；传统反步控制方法普遍未针对重复求导问题设计优化机制，随着控制阶数增加，算法运算量呈指数级增长，严重制约三自由度自主水面航行器的实时控制响应速度。

2、另外，部分自适应方案未与模糊控制技术深度融合，对时变干扰与未知动态的协同处理能力不足，难以适配复杂水域环境下的跟踪控制需求。传统方案对测量环节的不确定性考虑较少，当传感器存在未知灵敏度偏差时，易进一步放大跟踪误差，影响控制精度。

3、上述缺陷限制了三自由度自主水面航行器系统在高动态、高精度需求场景中的实际应用，因此需要提供一种兼顾时变干扰抑制、未知测量灵敏度的新型模糊自适应跟踪控制方案。

技术实现思路

1、根据上述提出的技术问题，而提供一种具有未知测量灵敏度的自主水面航行器系统跟踪控制方法。本发明采用模糊逻辑系统对三自由度自主水面航行器系统中的未知非线性项进行逼近处理；针对未知测量灵敏度问题导致的状态不可测问题，利用模糊基函数性质并结合自适应技术进行解决；针对反步设计法因重复求导可能导致的重复求导问题，在控制器设计过程中引入滤波技术，实现了计算复杂度的有效降低。本发明方法有效缓解了未知动力学模型对系统性能的影响，实现了预期的跟踪性能；基于李雅普诺夫稳定性理论，严格证明了在此控制策略作用下，闭环系统中所有信号均有界。本发明有效解决了受未知测量灵敏度影响的三自由度自主水面航行器系统的轨迹跟踪控制难题。

2、本发明采用的技术手段如下：

3、一种具有未知测量灵敏度的自主水面航行器系统跟踪控制方法，包括：对期望轨迹和滤波器输出进行坐标变换；构建反步框架中的第一李雅普诺夫函数，并设计虚拟控制器和第一自适应律；构建反步框架中的第二李雅普诺夫函数，并设计实际控制器与第二自适应律；基于控制方案导出结果，并构建考虑未知测量灵敏度问题的三自由度自主水面航行器系统数学模型；针对由传感器灵敏度未知导致的系统状态不可测问题，通过模糊基函数性质并结合自适应技术设计新型模糊自适应控制机制进行处理。

4、进一步地，将所述滤波器表示为：

5、

6、其中，为设计参数，为虚拟控制器，为滤波器输出，表示关于时间的一阶导数，并且满足，其中，为边界层误差；

7、对期望轨迹和滤波器输出进行坐标变换：

8、

9、其中，为期望轨迹，与表示考虑未知测量灵敏度问题的三自由度自主水面航行器系统的两级状态向量，与分别表示对应的跟踪误差。

10、进一步地，将所述第一李雅普诺夫函数表示为：

11、

12、其中，和为设计参数，和分别为自适应参数和与自适应参数的估计值和的估计误差，满足和；

13、将所述虚拟控制器和第一自适应律表示为：

14、

15、

16、

17、其中，，和为设计参数，表示代表坐标变换矩阵，表示正的设计参数。

18、进一步地，将所述第二李雅普诺夫函数表示为：

19、

20、其中，，和为设计参数，，与为自适应参数，与的估计误差，且满足，，，其中，，与为自适应参数，与的估计值；

21、将所述实际控制器与第二自适应律表示为：

22、

23、

24、

25、其中，，，，和为设计参数；表示模糊向量基函数，。

26、进一步地，将所述基于控制方案导出结果表示为：

27、

28、

29、

30、将所述构建考虑未知测量灵敏度问题的三自由度自主水面航行器系统数学模型表示为：

31、

32、

33、

34、

35、其中，，，与分别表示横向位移与纵向位移，表示航向角，与分别表示横向速度与纵向速度，表示航向角速度，表示考虑未知测量灵敏度问题的三自由度自主水面航行器系统状态，表示系统状态对时间的一阶导数。和表示未知时变干扰，和表示系统输入和输出；为未知但有界的常数，，,和分别代表坐标变换矩阵，科氏向心力矩阵，阻尼矩阵和惯性矩阵，为未知光滑函数矩阵。

36、进一步地，将所述新型模糊自适应控制机制表示为：

37、

38、其中，为模糊逻辑权向量，，，是逼近误差，且满足,是未知且大于零的常数；

39、利用所述模糊基函数性质为进行如下处理：

40、

41、其中，，。

42、较现有技术相比，本发明具有以下优点：

43、本发明提供的一种具有未知测量灵敏度的自主水面航行器系统跟踪控制方法，核心包含自适应技术，模糊逻辑系统，滤波器技术及反步控制框架。针对三自由度自主水面航行器系统，基于其动力学方程建立数学模型，将未知测量灵敏度考虑在内，构建系统跟踪控制模型，为后续控制器设计环节提供模型基础。针对由传感器灵敏度未知导致的状态不可测问题，利用模糊逻辑系统性质搭配自适应技术进行处理，设计模糊自适应跟踪控制器。基于滤波器技术设计的反步控制结构：在反步控制框架下，引入一阶滤波器来避免可能出现的重复求导问题，缓解控制器运算压力。系统稳定性及所有信号有界性验证：基于所设计的李雅普诺夫函数，证明闭环系统内所有信号均有界。

44、本发明方法确保了系统在传感器灵敏度未知的前提下，仍能实现兼顾稳态性能和动态性能的轨迹跟踪控制，并确保了闭环系统内所有信号均有界。

1.一种具有未知测量灵敏度的自主水面航行器系统跟踪控制方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的具有未知测量灵敏度的自主水面航行器系统跟踪控制方法，其特征在于，将所述滤波器表示为：

3.根据权利要求2所述的具有未知测量灵敏度的自主水面航行器系统跟踪控制方法，其特征在于，将所述第一李雅普诺夫函数表示为：

4.根据权利要求3所述的具有未知测量灵敏度的自主水面航行器系统跟踪控制方法，其特征在于，将所述第二李雅普诺夫函数表示为：

5.根据权利要求4所述的具有未知测量灵敏度的自主水面航行器系统跟踪控制方法，其特征在于，将所述基于控制方案导出结果表示为：

6.根据权利要求5所述的具有未知测量灵敏度的自主水面航行器系统跟踪控制方法，其特征在于，将所述新型模糊自适应控制机制表示为：