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申请/专利权人：江南大学

摘要：本发明涉及一种无人艇航迹规划和抗干扰控制方法及系统，其中，方法包括：建立无人艇的数学模型，从数学模型中选取无人艇平坦输出，建立无人艇的微分平坦系统；对无人艇平坦输出进行参数化，得到无人艇的航迹规划问题，将航迹规划问题转化为参数求解问题；设计无人艇航迹规划问题的目标函数和约束条件，结合参数求解问题，生成无人艇的最优轨迹；基于无人艇的微分平坦系统，将无人艇的欠驱动系统转化为全驱动系统；根据全驱动系统设计非线性干扰观测器，估计无人艇系统所受的集总干扰；结合全驱动系统得到无人艇的反步控制律，并根据集总干扰和反步控制律设计新型控制律，以实现对无人艇的抗干扰控制。本发明能够对无人艇航迹进行有效规划与控制。

主权项：1.一种无人艇航迹规划和抗干扰控制方法，其特征在于：包括：步骤S1：建立无人艇平面运动的数学模型，从所述数学模型中选取无人艇平坦输出，建立无人艇的微分平坦系统；所述步骤S1中建立无人艇平面运动的数学模型，从所述数学模型中选取无人艇平坦输出，建立无人艇的微分平坦系统，方法包括：根据牛顿-欧拉方程，建立无人艇平面运动的三自由度数学模型： 其中，m和Iz代表无人艇的质量和惯性力矩，x,y,ψ表示惯性坐标系下无人艇的位置和偏航角，u,v,r代表机体坐标系下无人艇的速度和偏航角速度，Xu,Yv,Nr表示阻尼系数，τu,τr表示无人艇的输入力和力矩；根据公式1的数学模型，选择无人艇平坦输出F1＝x，F2＝y，将无人艇的所有状态变量和输入变量均通过无人艇平坦输出及其有限阶导数表示，则无人艇微分平坦系统建立如下：设状态变量为： 设输入变量为： 步骤S2：利用贝塞尔多项式函数对所述无人艇平坦输出进行参数化，得到无人艇的航迹规划问题，将所述航迹规划问题转化为参数求解问题；步骤S3：设计无人艇航迹规划问题的目标函数和约束条件，结合参数求解问题，生成无人艇的最优轨迹；步骤S4：基于所述无人艇的微分平坦系统，将无人艇的欠驱动系统转化为全驱动系统；所述步骤S4：基于所述无人艇的微分平坦系统，将无人艇的欠驱动系统转化为全驱动系统，方法包括：引入外部环境干扰τd＝[d1,d2,d3]T，将公式1改写为： 式中，无人艇运动控制的实质就是通过控制输入力τu和输入力矩τr，使得无人艇的位置x,y和偏航角ψ跟踪上期望值，基于所述无人艇微分平坦系统将公式18的欠驱动系统转化全驱动系统，包括：根据公式2-公式6的无人艇的微分平坦系统，无人艇系统所有的状态变量及输入变量均由输出变量x，y及其有限阶表示，通过控制位置x,y两个变量就实现对其他变量的控制，实现无人艇系统由欠驱动系统向全驱动系统的转化；由公式6可知，对输出变量求四阶导才能使平坦输出x,y完整表示出控制输入τu，τr，因此建立如下无人艇系统的全驱动系统： 其中，代表复杂非线性项，Dx，Dy包含内部参数变化和外部干扰及其导数，被当作集总干扰；步骤S5：根据所述全驱动系统设计非线性干扰观测器，通过所述非线性干扰观测器估计无人艇系统所受的集总干扰；步骤S6：结合所述全驱动系统得到无人艇的反步控制律，并根据所述集总干扰和反步控制律设计新型控制律，通过所述新型控制律实现对无人艇的抗干扰控制；所述步骤S6：结合所述全驱动系统得到无人艇的反步控制律，并根据所述集总干扰和反步控制律设计新型控制律，通过所述新型控制律实现对无人艇的抗干扰控制，方法包括：假设x1＝[x,y]T,x4＝[x3,y3]T，将公式19的全驱动系统重新写为： 基于反步控制律，设计新型控制律，包括：定义x1的跟踪误差z1＝x1-x1d，x1d＝[xd,yd]T为期望航迹；对跟踪误差z1进行求导，得到： 设计虚拟控制量x2v： 其中，k1＞0是可调整的第一正常数；定义虚拟控制误差z2为： 对虚拟控制误差z2进行求导，得到： 设计虚拟控制量x3v： 其中，k2＞0是可调整的第二正常数；定义虚拟控制误差z3为： 对虚拟控制误差z3进行求导，得到： 设计虚拟控制量x4v： 其中，k3＞0是可调整的第三正常数；定义虚拟控制误差z4为：z4＝x4-x4v39对虚拟控制误差z4求导，得到： 最终，得到反步控制律为： 其中，k4＞0是可调整的第四正常数；将公式32，35，38，41代入公式31，34，37，40，得到闭环误差动态系统： 忽略控制律对干扰的补偿，为分析干扰D对无人艇系统的影响，定义Lyapunov函数： 对公式43求导，得到： 将公式42代入公式44，得到： 由公式45可知，是否为负，即系统是否渐近稳定依赖于的正负：如果则能保证则表明干扰D对系统有利，并保留；如果则的正负无法确定，则表明干扰D对系统不利，并消除；根据公式45中的z4和干扰D定义干扰特征指标为： 其中，⊙代表点乘，γ＝[γ1,γ2]T，γi表示γ第i个元素，D由估计值代替；定义干扰补偿增益Eγ＝diag{Eγ1,Eγ2}为： 其中，κi＞0,i＝1,2表示临界值；基于公式41的反步控制律，设计基于干扰利用的反步控制律为： 通过公式48的基于干扰利用的反步控制律实现利用有利干扰，补偿有害干扰，实现对无人艇的抗干扰控制。

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