[發明專利]救生艇救生對接過程的姿態控制方法

有效

• 申請號: 201310236660.5
• 申請日: 2013-06-14
• 公開（公告）號: CN103324201A
• 公開（公告）日: 2013-09-25
• 發明（設計）人: 夏國清;龐程程;趙昂
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及的是一種救生艇自動對接過程姿態控制方法。

背景技術

事故艇的傾斜角度大、海底地形復雜或海流大，都會給救生作業帶來很大的困難。對于固定對接裙體的救生艇，不可避免的需要調整其姿態，使對接裙口與事故艇的傾角保持一致，才能實現對接救生操作。雖然現在國內外專家已經研制出帶有活動轉裙的救生艇，可以在艇體保持水平的情況下與較大傾角的事故艇實現對接，但當由海流和臍帶纜造成的外界干擾力較大時，或事故艇傾斜角度過大時，仍然需要救生艇調整姿態，以更好的與事故艇的對接。因此有必要對救生艇自動對接過程中的姿態控制進行研究，以使得救生艇能夠快速準確的調整到期望的姿態角。

《哈爾濱工程大學學報》2001年發表的《深潛救生艇定位過程滑模控制》中，針對哈爾濱工程大學的六自由度救生艇BSAV-1，利用滑模控制的方法設計了救生艇的六自由度控制器，其控制方案的核心是推力分配算法，利用避免螺旋槳推進器進入飽和工作區以減小控制帶來的耦合作用。2004年在《應用科技》發表的《深潛救生艇對接過程的監督控制》將混雜動態系統理論應用于對接過程，設計監督控制器來檢測位置和姿態偏差是否控制在設定的閾值內，進行邏輯和事件層次上的分析和研究，從而對救生艇的對接過程進行運動控制。目前對于救生艇的對接過程都是針對四自由度或六自由度的對接過程進行整體控制的，控制過程中不利于實時監控，在實際操作中可能會產生一些不安全因素，且控制方法較為復雜，不利于實現。

發明內容

本發明的目的在于提供一種能夠使救生艇抵抗外界干擾力的作用，實現定點的姿態調整，并使救生艇的姿態在有限時間內達到期望值的救生艇救生對接過程的姿態控制方法。

本發明的目的是通過下述技術方案實現的：

包括有限時間狀態觀測器3、干擾估計器6、線速度鎮定回路7、姿態控制回路8、傳感器裝置13組成；線速度鎮定回路的作用是將救生艇的縱向速度，橫移速度和垂向速度鎮定到零點，從而為救生艇的定點姿態調整做準備。姿態控制回路的作用是實現救生艇艏搖、橫搖、縱搖三個自由度的姿態控制，為下一階段救生艇的對口救生做準備。

上述姿態控制系統的具體實現方法如下：

1)傳感器裝置13包括位置傳感器2和角度傳感器12，分別測量救生艇的位置和姿態信息，并將采集到的信息傳遞給有限時間狀態觀測器3和姿態控制回路；

2)有限時間狀態觀測器3接收位置傳感器2和角度傳感器12的測量信息和姿態控制回路提供的等效輸入值，得到線速度和角速度的估計值，并將線速度的估計值傳遞給線速度鎮定回路，將角速度的估計值傳遞給姿態控制回路；

3)干擾估計器6根據有限時間狀態觀測器3提供的線速度及角速度估計值和姿態角虛擬控制器11產生的虛擬跟蹤角速度值，在線估計外界干擾力作用，并提供給線速度鎮定回路和姿態控制回路；

4)線速度鎮定回路7由線速度輸入變換器4和線速度有限時間鎮定器5兩部分組成，線速度有限時間鎮定控制器5根據救生艇的當前速度的估計值，計算出系統的等效控制輸入值u₁，線速度輸入變換器根據等效輸入值u₁和干擾力Δf₁，計算出控制力τ₁；

5)姿態控制回路8由姿態角虛擬控制器11、角速度有限時間虛擬跟蹤控制器9和角速度輸入變換器10組成，姿態角虛擬跟蹤控制器是根據姿態誤差系統設計的，根據期望姿態角η_2d和接收到的角度傳感器數據，根據李雅普諾夫方法產生虛擬跟蹤角速度ν_2d，角速度有限時間虛擬跟蹤控制器9接收角速度估計值和虛擬跟蹤速度ν_2d，產生等效控制輸入值u₂，角速度輸入變換器根據等效輸入u₂和干擾力Δf₂，計算出控制力τ₂。

利用李雅普諾夫方法設計干擾估計器，干擾估計器通過虛擬速度跟蹤誤差來估計外界干擾力的作用，外界干擾力包括海流作用力和臍帶纜的作用力，以及恢復力中的不確定部分

在救生艇的控制過程中，采用一種新型的飽和函數來設計有限時間控制器和觀測器，使救生艇的線速度能夠在有限時間內收斂到零，角速度在有限時間內跟蹤虛擬速度，并削弱由于符號函數存在引起的抖震。

本發明適用于全驅動的救生艇，在惡劣救生環境下的對接作業過程，能夠使救生艇有效的抵抗外界干擾力作用，并在有限時間內使救生艇的三個姿態角跟蹤到給定值，從而實現與失事艇的對接救生。