本发明涉及无人艇控制，具体而言，涉及一种具有时变全状态约束的三自由度水面无人艇轨迹跟踪控制器设计方法。
背景技术：
1、水面无人艇可以通过搭载各种传感器和仪器来对海洋环境进行实时监测和采样，为海洋科学研究提供了更便捷和高效的手段。水面无人艇由于其自主决策、高精度和安全可靠性，在科研、海洋资源勘探等领域得到了广泛应用。
2、海洋环境具有严重的不确定性，水面无人艇在水面工作时，难以避免受到洋流、风浪和漩涡等外部未知时变扰动的影响，使其控制器的设计更为复杂，如果没有达到预定的跟踪精度，将会带来严重的经济和安全事故。外部时变扰动的影响使得水面无人艇的跟踪性能大大降低，为了保证水面无人艇能够精确跟踪参考轨迹，所以对其抗干扰性的研究是必要的。
3、随着计算机和网络技术的发展，网络化控制系统凭借其拓展性强、灵活度高等优点受到诸多领域的青睐。然而在现有的控制方法中，大多数都是基于周期性采样或时间触发的，传统的时间触发控制方法由于在等间隔的离散时刻点上周期性地传输并更新控制信号，网络传输的数据量也越来越大，将导致大量不必要的冗余信息被传输，进而造成有限网络资源的浪费。动态事件触发机制通过动态调整阈值，可以实现系统性能和资源利用率之间的相对权衡。因此，亟需设计一种理想轨迹跟踪控制器使水面无人艇在机载网络通信带宽受限的情况下，可以精确地跟踪参考轨迹。
技术实现思路
1、本发明在于提供一种具有时变全状态约束的无人艇轨迹跟踪控制器设计方法，其能够解决上述问题。
2、为了解决上述的问题，本发明采取的技术方案如下：
3、本发明提供了一种具有时变全状态约束的无人艇轨迹跟踪控制器设计方法，包括以下步骤：
4、s1、建立含有外部未知扰动的三自由度水面无人艇动力学模型，根据三自由度水面无人艇动力学模型得到三自由度水面无人艇的状态空间方程；
5、s2、对三自由度水面无人艇动力学模型进行简化，其中系统状态变量满足预设的时变约束条件，根据三自由度水面无人艇的状态空间方程和简化后的三自由度水面无人艇动力学模型，通过坐标变换得到跟踪误差，该跟踪误差考虑了一阶滤波器的输出；
6、s3、基于步骤2中采用的坐标变换，针对三自由度水面无人艇的第一级子系统构造李雅普诺夫函数v1，并求出李雅普诺夫函数v1的一阶时间导数，然后基于反推法设计使三自由度水面无人艇的第一级子系统趋于固定时间稳定的虚拟控制函数自适应律θ1i和误差补偿信号η1；
7、s4、根据三自由度水面无人艇动力学模型，针对三自由度水面无人艇的第二级子系统构造李雅普诺夫函数v2，并求出李雅普诺夫函数v2的一阶时间导数，为固定时间时变全状态约束轨迹跟踪控制器σi(t)构建动态事件触发控制机制，然后基于反推法设计使三自由度水面无人艇的第二级子系统趋于固定时间稳定的固定时间时变全状态约束轨迹跟踪控制器σi(t)，自适应律θ2i和误差补偿信号η2；
8、s5、将李雅普诺夫函数v1和李雅普诺夫函数v2合并构造三自由度水面无人艇系统构造整体的李雅普诺夫函数v，并求出李雅普诺夫函数v的一阶时间导数，证明控制系统的稳定性，即所设计的虚拟控制函数误差补偿信号η1、自适应律固定时间时变全状态约束轨迹跟踪控制器σi(t)、误差补偿信号η2和自适应律能保证三自由度水面无人艇闭环系统的所有信号是固定时间有界的。
9、作为上述技术方案的进一步描述，步骤s1中，三自由度水面无人艇的状态空间方程为：
10、
11、其中，m为水面无人艇的质量；xg为水面无人艇的质量；表示附加质量；iz为水面无人艇模型关于偏航旋转的转动惯量；u代表水面无人艇的前进速度，v代表水面无人艇的摇摆速度，r代表水面无人艇的转向角速度；
12、cm13(ζ)＝-mm22v-mm23r，cm23(ζ)＝mm11u，cm31(ζ)＝mm22v+mm23r，cm32(ζ)＝-mm11u；
13、
14、
15、表示水面无人艇的线性阻力系数；nr为偏航线性阻力；表示二次线性阻力系数；为水面无人艇的控制输入；为水面无人艇外部未知扰动。
16、作为上述技术方案的进一步描述，步骤s2中，跟踪误差为v1＝z1-η1和v2＝z2-η2，η1和η2为误差补偿信号；
17、其中，误差信号表示为参考轨迹；
18、为一阶滤波器的输出。
19、作为上述技术方案的进一步描述，步骤s3中，虚拟控制函数误差补偿信号η1和自适应律的设计公式如下：
20、
21、其中，
22、为yd的一阶时间导数；
23、h1i为待设计的控制器参数；i＝1,2,3；χ1＝diag[χ11,χ12,χ13]；
24、和分别代表ka1i和kb1i的一阶时间导数；k1(t)＝diag[k11,k12,k13]；μ1i为正常数；
25、m1i,m2i为待设计的控制器参数；
26、代表水面无人艇的旋转矩阵；为水面无人艇在固定地面坐标系中的航向角；
27、v1＝[v11,v12,v13]t,
28、作为上述技术方案的进一步描述，步骤s4中，动态事件触发控制机制表示如下：
29、
30、tw+1＝inf[t≥twei(t)≥μi(t)τim(t)+∈i(t)]
31、
32、其中，τim(t)为水面无人艇的控制输入，σi(t)为固定时间时变全状态约束轨迹跟踪控制器；ei(t)为两次连续触发的时间间隔且ei(t)＝σi(t)-τim(t)；l1i和l2i为待设计的正常数；k1i(t)和k2i(t)为时变参数且满足|k1i(t)|≤1，|k2i(t)|≤1。
33、作为上述技术方案的进一步描述，步骤s4中，固定时间时变全状态约束轨迹跟踪控制器σi(t)的设计公式如下：
34、
35、其中，k2i,c2i,s2i为待设计的控制器参数，
36、
37、表示一阶滤波器的输出；
38、为的一阶时间导数；
39、
40、和分别代表ka2i和kb2i的一阶时间导数，μ2i,为正常数。
41、误差补偿信号η2和自适应律的设计公式如下：
42、
43、其中，k2＝diag{k21,k22,k23},
44、r2i,ξ1i,ξ2i,h2i,k2i为待设计的控制器增益。
45、与现有技术相比，本发明的有益效果是：
46、1)区别于现有的有限时间稳定控制器设计方法和传统的常值约束，基于本发明设计方法所设计的具有时变全状态约束的轨迹跟踪控制器能保证整个水面无人艇系统的所有信号都是固定时间有界，跟踪误差在给定的固定时间内收敛至的稳态误差区间，并且保障系统状态不会违反时变的约束边界。
47、2)通过设计误差补偿信号和自适应律，解决滤波器误差、近似误差对水面无人艇跟踪性能造成的不利影响，并有效地提高水面无人艇跟踪性能，从而精准地跟踪参考轨迹；本发明考虑了一阶滤波器，避免了由于对虚拟控制信号求导而造成的“复杂性爆炸”，考虑了误差补偿信号，消除了滤波误差对系统跟踪性能的影响。
48、3)本发明将动态事件触发机制(dynamic event-triggered mechanism，dem)纳入到轨迹跟踪控制器的设计中，使控制信号严格按照预先规划的触发条件进行更新，通过动态调整阈值参数来利用通讯资源，有效避免系统控制信号的持续更新，降低了控制信号的更新频率和执行器的磨损，保证控制信号间断性更新的情况下，水面无人艇仍然能够精确跟踪参考轨迹。
49、为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举本发明实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
1.一种具有时变全状态约束的无人艇轨迹跟踪控制器设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述具有时变全状态约束的无人艇轨迹跟踪控制器设计方法，其特征在于，步骤s1中，三自由度水面无人艇的状态空间方程为：
3.根据权利要求2所述具有时变全状态约束的无人艇轨迹跟踪控制器设计方法，其特征在于，步骤s2中，跟踪误差为v1＝z1-η1和v2＝z2-η2，η1和η2为误差补偿信号；
4.根据权利要求3所述具有时变全状态约束的无人艇轨迹跟踪控制器设计方法，其特征在于，步骤s3中，虚拟控制函数误差补偿信号η1和自适应律的设计公式如下：
5.根据权利要求4所述具有时变全状态约束的无人艇轨迹跟踪控制器设计方法，其特征在于，步骤s4中，动态事件触发控制机制表示如下：
6.根据权利要求5所述具有时变全状态约束的无人艇轨迹跟踪控制器设计方法，其特征在于，步骤s4中，固定时间时变全状态约束轨迹跟踪控制器σi(t)的设计公式如下：
