1.基于零值化神经网络的AUV轨迹追踪方法,其特征在于,所述方法包括下列步骤:构建AUV运动学模型,并使用梯度下降方法和性能指标来约束所述AUV运动学模型;
基于所述AUV运动学模型,将AUV轨迹跟踪问题重述为动态二次规划问题;
构建PEZNN模型,所述PEZNN模型表示投影与椭圆零值化神经网络模型;
基于PEZNN模型以及速度、加速度投影函数构建AUV-TTN网络,所述AUV-TTN网络表示AUV路径跟踪神经网络;
利用AUV-TTN网络求解动态二次规划问题,对AUV期望轨迹进行跟踪,对预测轨迹进行不断迭代,最终实现AUV轨迹追踪;
构建AUV运动学模型,具体包括:
在地球局部参考系下,AUV的六自由度表示为:s(t)=[sx(t),sy(t),sz(t),θx(t),θy(t),θz(t)]T令v(t)=[vx(t),vy(t),vz(t),ωx(t),ωy(t),ωz(t)],从而建立向量v和向量s之间的关系:对公式两边求导,得到AUV运动学模型如下:其中,sx(t),sy(t),sz(t)表示AUV的位置坐标,θx(t)表示AUV的偏航,θy(t)表示AUV的俯仰,θz(t)表示AUV的横摇,vx(t),vy(t),vz(t)表示AUV在和方向上的线速度,ωx(t),ωy(t),ωz(t)表示AUV在和方向上的角速度,s0表示AUV的初始位置和旋转姿态,y(τ)表示参数矩阵,τ表示时间t的换元,符号T表示对矩阵和向量的转置;
使用梯度下降方法和性能指标来约束所述AUV运动学模型,具体包括:建立如下的性能指标来约束冗余自由度造成的AUV漂移现象:基于梯度下降法的设计策略,将上式修改为:考虑到AUV的在加速度水平上的物理极限约束,将上式进一步优化成:其中,spl(t)表示预测轨迹,ζ为反馈增益系数,表示spl(t)的导数;
基于所述AUV运动学模型,将AUV轨迹跟踪问题重述为动态二次规划问题,具体包括:基于ZNN模型,建立AUV运动学模型的误差函数:E1(t)=spl(t)-sdl(t)将sdl(t)映射到六个自由度,并建立如下的映射关系:其中,
根据ZNN模型的设计思想,迫使误差函数下降到0,并建立下面的演化公式:考虑到水下航行器的物理极限约束并基于上式将AUV轨迹跟踪问题重述为如下动态二次规划问题:其中,sdl表示期望轨迹,表示sdl的导数,ζ与μ均为反馈增益系数,vmin表示AUV六个自由度的最大前进速度,vmax表示AUV六个自由度的最大后退速度,amin表示AUV六个自由度的最大前进加速度,amax表示AUV六个自由度的最大后退加速度;
构建PEZNN模型,具体包括:
定义非凸饱和函数Ph(x)为:
在椭圆方程的基础上设计了如下公式将收敛速度平滑:将投影和椭圆激活函数设计为:
因此,PEZNN模型,可以表示为:
其中,p表示椭圆的长轴长,q表示椭圆的短轴长,λ也表示反馈增益系数,ξ1>0,ξ2>ξ1>0,ξ3<-ξ1<0;
建立速度和加速度两个投影函数:
其中,ri表示输入向量r中的子元素,vmini表示向量vmin中的子元素,vmaxi表示向量vmax中的子元素,amini表示向量amin中的子元素,amaxi表示向量amax中的子元素,Pv与Pa分别表示速度和加速度投影函数;
基于PEZNN模型以及速度、加速度投影函数构建AUV-TTN网络,具体包括:将AUV路径跟踪问题重新描述为一般的IE-DQP问题如下:其中,x(t)=v(t)、p(t)=ζ(spl(t)-s0)、c(t)=sdl(t)+μ(sdl(t)-spl(t))、W(t)=I0是6×6的单位矩阵;
用拉格朗日乘子法求解前述问题,建立如下拉格朗日方程:最小化得到:
上式的解可以通过求解如下方程组得到:上式的解可以通过求解方程得到:
f(y(t),t)=H(t)y(t)+b(t)=0建立关于f(t)的误差函数为:
E(f(t))=H(t)y(t)+b(t)其中:
使用PEZNN模型来强制令前述误差函数下降:其中:
其中H(t)、y(t)、b(t)均表示计算矩阵,表示y(t)的导数,表示(t)的导数;
基于速度和加速度两个投影函数,所构建的AUV-TTN网络为:将其具体拓展为:
其中,η(t)表示受到的干扰。