自主式水面机器人轨迹跟踪的积分滑模获取方法及系统与流程

本发明涉及自主式水面机器人控制技术领域，特别涉及自主式水面机器人轨迹跟踪的积分滑模获取方法及系统。

背景技术：

近年来，自主式水面机器人受到重视，自主式水面机器人是集控制装置、导航定位装置、自诊断和故障处理装置、测量装置和能源装置于一体的具有智能行为的机器人，其中控制装置是自主式水面机器人在水面进行作业的控制中心，是机器人控制的核心技术所在。但是，自主式水面机器人所处的水面环境存在众多的干扰因素，这些因素会影响控制装置对机器人做出正确的指令。因此，如何设计自主式水面机器人的控制方案，以消减外部干扰而不影响稳定性以及提高控制性能是非常重要的。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题是，针对带有外部干扰的自主式水面机器人系统，提供一种固定时间轨迹跟踪控制方法，消减了外部干扰因素，且轨迹跟踪性能良好的自主式水面机器人轨迹跟踪的积分滑模获取方法及系统。

本发明为实现上述目的采用的技术方案是：自主式水面机器人轨迹跟踪的积分滑模获取方法，包括以下步骤：

步骤1：建立含有外部干扰的自主式水面机器人以及被跟踪期望轨迹的运动学模型和动力学模型；

步骤2：引入辅助变量，把含有外部干扰的水面机器人模型和被跟踪期望轨迹的系统模型转化为自主式水面机器人的跟踪误差系统模型；

步骤3：设计积分滑模面和固定时间干扰观测器，得到基于固定时间干扰观测器的积分滑模控制器。

进一步的，所述步骤1的具体内容如下：

建立含有外部干扰的自主式水面机器人运动学模型和动力学模型

其中表示自主水面机器人的位置和航行角，υ＝[u,ν,r]^t表示线速度和角速度，为转动惯量矩阵，m为惯性矩阵，c(υ)为科里奥利和向心矩阵，d(υ)为阻尼矩阵，g(η,υ)为重力矩阵，τ(t)为控制输入，dl(t)为外部干扰，s(r)＝[0-r0；r00；000]；

建立被跟踪期望轨迹的运动学模型和动力学模型，

进一步的，所述步骤2的具体内容如下：

定义系统(1.1)转化为如下的形式，

其中θ(η，σ)＝s(σ)σ-rm^-1(c(r^tσ)+d(r^tσ))r^tσ-rm^-1(c(r^tσ)+d(r^tσ))r^tσ；

定义系统(1.2)转化为如下的形式，

其中

针对系统(1.3)和(1.4)，建立自主式水面机器人的跟踪误差系统模型，

进一步的，所述步骤3的具体内容如下：

针对系统(1.5)，设计如下积分滑模面，

其中

设计如下的固定时间干扰观测器

其中χ为辅助变量，为dl(t)的估计，λ1i，λ2i，βi为观测器增益；

得到基于固定时间干扰观测器的积分滑模控制器

其中ξ1，ξ2为控制器增益。

进一步的，以自主式水面机器人系统为例来说明方法的具体实现，其步骤是：

建立含有外部干扰的自主式水面机器人运动学模型和动力学模型

其中表示自主水面机器人的位置和航行角，υ＝[u，ν，r]^t表示线速度和角速度为转动惯量矩阵，为惯性矩阵，为科里奥利和向心矩阵，为阻尼矩阵，为外部干扰，g(η，υ)＝[0，0，0]^t为重力矩阵，初始状态选取为η(0)＝[2，1，π/2]^t，υ(0)＝[0，0，0]^t；

建立被跟踪期望轨迹的运动学模型和动力学模型，

其中期望控制输入初始状态选取为ηd(0)＝[1，2，π/4]^t，vd(0)＝[0，0，0]^t。

进一步的，以自主式水面机器人系统为例来说明方法的具体实现，其步骤是：

定义系统(1.7)转化为如下的形式，

其中θ(η，σ)＝s(σ)σ-rm^-1(c(r^tσ)+d(r^tσ))r^tσ-rm^-1(c(r^tσ)+d(r^tσ))r^tσ；

定义系统(1.8)转化为如下的形式，

其中

针对系统(1.3)和(1.4)，建立自主式水面机器人的跟踪误差系统模型，

进一步的，以自主式水面机器人系统为例来说明方法的具体实现，其步骤是：

针对系统(1.5)，设计如下积分滑模面，

其中un＝5[ηe]^0.5385+5[ηe]+5[ηe]^1.9+5[σe]^0.7+5[σe]+5[σe]^1.1875，

设计如下的固定时间干扰观测器

其中χ为辅助变量，为dl(t)的估计，λ1i＝λ2i＝6，γ1＝γ2＝0.3，γ3＝0.8，β1＝9，β2＝6，β3＝3为观测器增益；

得到基于固定时间干扰观测器的积分滑模控制器

其中ξ1＝ξ2＝4为控制器增益，α＝0.5，β＝2。

本发明还包括自主式水面机器人轨迹跟踪的积分滑模获取系统，包括以下内容：

建立含有外部干扰的自主式水面机器人以及被跟踪期望轨迹的运动学模型和动力学模型建立单元；

引入辅助变量，把含有外部干扰的水面机器人模型和被跟踪期望轨迹的系统模型转化为自主式水面机器人的跟踪误差系统模型建立单元；

设计积分滑模面和固定时间干扰观测器，得到基于固定时间干扰观测器的积分滑模控制器建立单元。

本发明设计的一种基于固定时间干扰观测器的自主式水面机器人轨迹跟踪的积分滑模获取方法，针对一类含有外部干扰的自主式水面机器人系统，引入了积分滑模面并设计了固定时间干扰观测器，进一步给出了基于观测器的积分滑模控制策略；本发明设计的基于观测器的滑模获取方法可以消除外部干扰的影响，能够在有限时间内实现水下机器人的轨迹跟踪，极大的改善了水下机器人的控制性能。本方法可以有效消减自主式水面机器人的外部干扰，实现精确控制，适用于水面机器人的固定时间轨迹跟踪控制。

附图说明

图1为本发明实施例获取方法的设计流程图；

图2为本发明实施例获取系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明；

实施例1：

如图1所示，自主式水面机器人轨迹跟踪的积分滑模获取方法，包括以下步骤：

步骤100：建立含有外部干扰的自主式水面机器人以及被跟踪期望轨迹的运动学模型和动力学模型；

(1)建立含有外部干扰的自主式水面机器人运动学模型和动力学模型

其中表示自主水面机器人的位置和航行角，υ＝[u,ν,r]^t表示线速度和角速度，为转动惯量矩阵，m为惯性矩阵，c(υ)为科里奥利和向心矩阵，d(υ)为阻尼矩阵，g(η,υ)为重力矩阵，τ(t)为控制输入，dl(t)为外部干扰，s(r)＝[0-r0；r00；000]；

(2)建立被跟踪期望轨迹的运动学模型和动力学模型，

步骤200：引入辅助变量，把含有外部干扰的水面机器人模型和被跟踪期望轨迹的系统模型转化为自主式水面机器人的跟踪误差系统模型；

定义系统(1.1)转化为如下的形式，

其中θ(η，σ)＝s(σ)σ-rm^-1(c(r^tσ)+d(r^tσ))r^tσ-rm^-1(c(r^tσ)+d(r^tσ))r^tσ；

定义系统(1.2)转化为如下的形式，

其中

针对系统(1.3)和(1.4)，建立自主式水面机器人的跟踪误差系统模型，

步骤300：设计积分滑模面和固定时间干扰观测器，得到基于固定时间干扰观测器的积分滑模控制器。

针对系统(1.5)，设计如下积分滑模面，

其中

设计如下的固定时间干扰观测器

其中χ为辅助变量，为dl(t)的估计，λ1i，λ2i，βi为观测器增益；

得到基于固定时间干扰观测器的积分滑模控制器

其中ξ1，ξ2为控制器增益。

如图2所示，本发明还包括自主式水面机器人轨迹跟踪的积分滑模获取系统，包括以下内容：

10：建立含有外部干扰的自主式水面机器人以及被跟踪期望轨迹的运动学模型和动力学模型建立单元；

20：引入辅助变量，把含有外部干扰的水面机器人模型和被跟踪期望轨迹的系统模型转化为自主式水面机器人的跟踪误差系统模型建立单元；

30：设计积分滑模面和固定时间干扰观测器，得到基于固定时间干扰观测器的积分滑模控制器建立单元。

实施例2：

如图1所示，自主式水面机器人轨迹跟踪的积分滑模获取方法，以自主式水面机器人系统为例来说明方法的具体实现，其步骤是：

步骤100：建立含有外部干扰的自主式水面机器人以及被跟踪期望轨迹的运动学模型和动力学模型；

(1)建立含有外部干扰的自主式水面机器人运动学模型和动力学模型

其中表示自主水面机器人的位置和航行角，υ＝[u，ν，r]^t表示线速度和角速度为转动惯量矩阵，为惯性矩阵，为科里奥利和向心矩阵，为阻尼矩阵，为外部干扰，g(η，υ)＝[0，0，0]^t为重力矩阵，初始状态选取为η(0)＝[2，1，π/2]^t，υ(0)＝[0，0，0]^t；

(2)建立被跟踪期望轨迹的运动学模型和动力学模型，

其中期望控制输入初始状态选取为ηd(0)＝[1，2，π/4]^t，vd(0)＝[0，0，0]^t。

步骤200：引入辅助变量，把含有外部干扰的水面机器人模型和被跟踪期望轨迹的系统模型转化为自主式水面机器人的跟踪误差系统模型；

定义系统(1.7)转化为如下的形式，

其中θ(η，σ)＝s(σ)σ-rm^-1(c(r^tσ)+d(r^tσ))r^tσ-rm^-1(c(r^tσ)+d(r^tσ))r^tσ；

定义系统(1.8)转化为如下的形式，

其中

针对系统(1.3)和(1.4)，建立自主式水面机器人的跟踪误差系统模型，

步骤300：设计积分滑模面和固定时间干扰观测器，得到基于固定时间干扰观测器的积分滑模控制器。

针对系统(1.5)，设计如下积分滑模面，

其中un＝5[ηe]^0.5385+5[ηe]+5[ηe]^1.9+5[σe]^0.7+5[σe]+5[σe]^1.1875，

设计如下的固定时间干扰观测器，

其中χ为辅助变量，为dl(t)的估计，λ1i＝λ2i＝6，γ1＝γ2＝0.3，γ3＝0.8，β1＝9，β2＝6，β3＝3为观测器增益；

得到基于固定时间干扰观测器的积分滑模控制器

其中ξ1＝ξ2＝4为控制器增益，α＝0.5，β＝2。

如图2所示，本发明还包括自主式水面机器人轨迹跟踪的积分滑模获取系统，包括以下内容：

10：建立含有外部干扰的自主式水面机器人以及被跟踪期望轨迹的运动学模型和动力学模型建立单元；

20：引入辅助变量，把含有外部干扰的水面机器人模型和被跟踪期望轨迹的系统模型转化为自主式水面机器人的跟踪误差系统模型建立单元；

30：设计积分滑模面和固定时间干扰观测器，得到基于固定时间干扰观测器的积分滑模控制器建立单元。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。