一种欠驱动无人艇平行路径跟踪控制器

技术领域

本发明涉及欠驱动无人艇路径跟踪控制技术领域，具体而言，尤其涉及一种欠驱动无人艇平行路径跟踪控制器。

背景技术

海洋蕴藏着丰富的自然资源，对人类生存和可持续发展至关重要。无人艇作为一种探索和开发海洋的工具，具有自主性高、灵活性强、成本低等特点。近年来，无人艇被广泛应用于各种作业场景，如海洋环境监测、数据收集、资源勘探、海上搜救、海岸监视、侦察巡逻等。这些作业任务迫切需要无人艇具有更可靠的路径跟踪能力，以确保更长的任务持续时间，并提高对复杂海洋环境的适应性。路径跟踪控制是无人艇运动控制中的一个基本问题。在路径跟踪控制问题中，考虑到无人艇的设计和动力学特性，可以将无人艇分为欠驱动无人艇和全驱动无人艇。其中，全驱动无人艇是指系统的自由度数量与控制输入数量相等，每个自由度都可以由相应的控制输入直接控制。而欠驱动无人艇是指系统自由度的数量少于控制输入的数量，这表明并非所有运动方向都可以直接由控制输入来控制。因此，为了实现欠驱动无人艇路径跟踪控制，需要设计特定的控制器。

现有关于欠驱动无人艇路径跟踪控制方法中，存在如下问题：

第一，现有欠驱动无人艇路径跟踪控制方法主要针对实际的无人艇系统设计，而实际的无人艇系统是一种典型的融合了计算、通信以及控制的物理信息系统，现有控制方法难以有效应对日益复杂的系统。

第二，现有欠驱动无人艇运动建模方法主要基于实际无人艇系统单向更新模型信息，无法直接应用于无人艇数字孪生运动建模。

第三，现有欠驱动无人艇路径跟踪控制方法无法实现实际无人艇系统与虚拟无人艇系统的虚实互动和平行交互，因而无法在远程对实际的欠驱动无人艇进行有效管理与控制。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种欠驱动无人艇平行路径跟踪控制器，以解决现有欠驱动无人艇路径跟踪控制方法无法直接应用于无人艇数字孪生运动建模的技术问题。

本发明采用的技术手段如下：

一种欠驱动无人艇平行路径跟踪控制器，包括实际欠驱动无人艇系统、虚拟欠驱动无人艇系统、运动学控制器、滤波器、动力学控制器和路径参数更新律；

所述实际欠驱动无人艇系统接收来自动力学控制器的纵向推力和艏摇方向转向力信息；所述实际欠驱动无人艇系统发送无人艇的位置、艏摇角信号和无人艇的速度信息至虚拟欠驱动无人艇系统；

所述虚拟欠驱动无人艇系统接收来自动力学控制器的纵向推力、艏摇方向转向力信息和来自实际欠驱动无人艇系统的无人艇的位置、艏摇角信号和无人艇的速度信息；所述虚拟欠驱动无人艇系统分别向运动学控制器和动力学控制器发送虚拟欠驱动无人艇的位置信息、速度信息、未知动态的估计值；

所述运动学控制器分别接收期望参数化路径、来自路径参数控制器的路径参数、来自虚拟欠驱动无人艇系统的虚拟欠驱动无人艇的位置信息；所述运动学控制器发送沿轨迹方向虚拟误差至路径参数控制器，发送虚拟制导信号至滤波器；

所述滤波器接收来自运动学控制器的虚拟制导信号，所述滤波器发送虚拟制导信号的滤波输出至动力学控制器；

所述动力学控制器分别接收来自滤波器的滤波输出、来自虚拟欠驱动无人艇系统的速度信息和未知动态的估计值；所述动力学控制器发送纵向推力和艏摇方向转向力至实际欠驱动无人艇系统，发送纵向推力和艏摇方向转向力至虚拟欠驱动无人艇系统；

所述路径参数控制器接收来自运动学控制器的航迹误差的估计值；所述路径参数控制器发送路径参数至运动学控制器。

进一步地，所述实际欠驱动无人艇系统的数学模型如下：

其中，η＝[x,y,ψ]

进一步地，所述虚拟欠驱动无人艇系统的公式如下：

其中，λ

进一步地，所述运动学控制器的公式如下：

其中，λ

进一步地，所述滤波器的公式如下：

其中，χ

进一步地，所述动力学控制器的公式如下：

其中，λ

进一步地，所述路径参数控制器的公式如下：

其中，θ∈R为可变设计参数，λ

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

与现有的欠驱动无人艇路径跟踪控制方法相比，本发明设计了一种针对欠驱动无人艇的平行路径跟踪控制律，将路径跟踪控制问题从物理空间拓展到了虚拟空间，实现了对欠驱动无人艇这一复杂物理信息系统的有效求解。

与现有的欠驱动无人艇运动建模方法相比，本发明构建了一个与实际欠驱动无人艇系统平行互动的虚拟欠驱动无人艇系统，通过使实际欠驱动无人艇系统趋向虚拟欠驱动无人艇系统，实现了欠驱动无人艇模型的实时更新和数据交互，从而构建完整的无人艇数字孪生运动模型。

与现有的欠驱动无人艇路径跟踪控制方法相比，本发明所设计的平行路径跟踪控制器通过对实际欠驱动无人艇系统和虚拟欠驱动无人艇系统的同步驱动，实现了两系统之间的相互映射与虚实交互。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明欠驱动无人艇平行路径跟踪控制器结构示意图。

图2是本发明平行路径跟踪控制性能示意图。

图3是本发明虚拟欠驱动无人艇系统和实际欠驱动无人艇系统的欠驱动无人艇路径跟踪误差图。

图4是本发明虚拟欠驱动无人艇系统和实际欠驱动无人艇系统的欠驱动无人艇位置和航向曲线图。

图5是本发明虚拟欠驱动无人艇系统和实际欠驱动无人艇系统的欠驱动无人艇速度曲线图。

图6是本发明虚拟欠驱动无人艇系统对未知动态的观测效果图。

图7是本发明虚拟欠驱动无人艇系统和实际欠驱动无人艇系统的欠驱动无人艇控制输入曲线图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

如图1所示，本发明提供了一种欠驱动无人艇平行路径跟踪控制器，包括实际欠驱动无人艇系统、虚拟欠驱动无人艇系统、运动学控制器、滤波器、动力学控制器、路径参数控制器；

所述的实际欠驱动无人艇系统输入端与所述的动力学控制器输出端相连，输出端与所述的虚拟欠驱动无人艇系统输入端相连；

所述的虚拟欠驱动无人艇系统输入端分别与所述的动力学控制器与实际欠驱动无人艇系统的输出端相连，输出端分别与所述的运动学控制器和动力学控制器的输入端相连；

所述的运动学控制器输入端分别与给定的输入信号、所述的路径参数控制器和虚拟欠驱动无人艇系统的输出端相连，输出端分别与所述的路径参数控制器和滤波器输入端相连。

所述的滤波器输入端与所述的运动学控制器输出端相连，输出端与所述的动力学控制器输入端相连；

所述的动力学控制器输入端分别与所述的滤波器和虚拟欠驱动无人艇系统的输出端相连，输出端分别与所述的实际欠驱动无人艇系统和虚拟欠驱动无人艇系统输入端相连；

所述的路径参数控制器输入端与所述的运动学控制器输出端相连，输出端与所述的运动学控制器输入端相连；

一种欠驱动无人艇平行路径跟踪控制器设计方法，所述的实际欠驱动无人艇系统无人艇数学模型用下式表示：

其中，η＝[x,y,ψ]

一种欠驱动无人艇平行路径跟踪控制器设计方法，包括以下步骤：

A、虚拟欠驱动无人艇系统设计

虚拟欠驱动无人艇系统的输入信号为实际欠驱动无人艇系统的位置信息η，速度信息ν，虚拟欠驱动无人艇的控制输入τ；输出信号为虚拟欠驱动无人艇的位置信息

所述的虚拟欠驱动无人艇系统设计如下：

其中，λ

B、运动学控制器的设计

运动学控制器的输入信号为沿轨迹方向虚拟误差

所述的运动学控制器设计如下：

其中，λ

C、滤波器的设计

滤波器的输入信号是虚拟制导信号γ

其中，χ

D、动力学控制器的设计

动力学控制器的输入信号为虚拟无人艇速度信息

所述的动力学控制器设计如下：

其中，λ

E、路径参数控制器的设计

路径参数控制器的输入信号为航迹误差的估计值

所述的路径参数控制器的设计如下：

其中，θ∈R为可变设计参数，λ

本发明设计的欠驱动无人艇平行路径跟踪控制器结构如图1所示，分为操作模块和执行模块两部分。操作模块又包含虚拟欠驱动无人艇系统构建和平行路径跟踪控制器设计两部分，其中平行路径跟踪控制器由运动学控制器、滤波器、动力学控制器以及路径参数控制器组成。执行模板包含实际欠驱动无人艇系统和构建的虚拟欠驱动无人艇系统两部分。具体工作原理介绍如下：当前时刻，基于给定输入信息、虚拟欠驱动无人艇系统的状态信息以及路径参数，运动学控制器产生虚拟制导信号，传递给滤波器。与此同时，路径参数将根据虚拟欠驱动无人艇系统的状态信息与给定输入信息的偏差进行动态更新。滤波器基于虚拟制导信号进行滤波后输出给动力学控制器。动力学控制器产生纵向推力和转向力矩，并传递给实际欠驱动无人艇系统和虚拟欠驱动无人艇系统。两个系统之间的状态信息实时交互，使实际欠驱动无人艇系统趋向虚拟欠驱动无人艇系统，通过以虚控实的方式，实现了实际欠驱动无人艇系统与虚拟欠驱动无人艇系统的相互映射与虚实交互。

对于式(3)-(7)的控制参数选择如下：

λ

λ

仿真结果如图2-7所示。图2给出了欠驱动无人艇的平行路径跟踪运动曲线，图中的横纵坐标表示地图的尺寸，虚线为期望路径，实线为实际欠驱动无人艇系统的实际路径，从图中可以看出，实际路径几乎重合于期望路径，表明欠驱动无人艇能够良好地跟踪期望路径。图3给出了实际欠驱动无人艇系统和虚拟欠驱动无人艇系统的路径跟踪误差，横坐标为时间，纵坐标分别为纵向跟踪误差、横向跟踪误差和航向跟踪误差，从图中可以看出虚拟欠驱动无人艇系统和实际欠驱动无人艇系统的各个跟踪误差在稳态时均收敛到零值附近。图4中横坐标为时间，纵坐标为位置和航向信息，从图中可以看出虚拟欠驱动无人艇系统和实际欠驱动无人艇系统实现了同步映射，二者均能精确跟踪参考信号。图5中横坐标为时间，纵坐标为速度信息，从图中可以看出经过短暂的暂态过程后，虚线与实线趋于一致，表明两个系统的速度信号在稳态时均实现了对虚拟制导信号的精确跟踪。图6给出了虚拟欠驱动无人艇系统对未知动态的估计效果，横坐标为时间，纵坐标为纵向、横向和艏摇方向的扰动，可以看出实线代表的估计值和虚线代表的实际值在图中曲线重合。图4-6表明所构建的虚拟欠驱动无人艇系统能够实现欠驱动无人艇模型的实时更新和数据交互。图7给出了虚拟欠驱动无人艇系统和实际欠驱动无人艇系统中欠驱动无人艇的纵向推力与艏摇方向上的转向力矩，二者趋于一致。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。