[發明專利]基于速度與航向雙重制導的無人船精確路徑跟蹤控制方法

在審

• 申請號: 201811117138.4
• 申請日: 2018-09-25
• 公開（公告）號: CN109358499A
• 公開（公告）日: 2019-02-19
• 發明（設計）人: 王寧;孫卓;尹建川;蘇順豐
• 申請（專利權）人: 大連海事大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 李洪福

本發明公開了一種基于速度與航向雙重制導的無人船精確路徑跟蹤控制方法，包括以下步驟：建立無人船運動學和動力學模型；構造路徑跟蹤誤差動態；設計速度與航向雙重制導律；設計有限時間干擾觀測器。本發明提出的速度與航向雙重制導律可以根據路徑跟蹤誤差同時制導速度和航向角，提高了路徑跟蹤控制系統的穩定性和靈活性。本發明構造的有限時間擾動觀測器能精確觀測復雜的外界干擾，并且在有限時間內確保觀測誤差為零，可以避免有界觀測和漸近觀測的局限性。本發明設計了結合有限時間觀測器設計和反步控制技術的速度和航向跟蹤控制器，使得在存在復雜干擾的情況下可以精確跟蹤制導信號，從而實現精確的無人船路徑跟蹤控制。

技術領域

本發明屬于無人船控制技術，尤其涉及一種基于速度與航向雙重制導的無人船精確路徑跟蹤控制方法。

背景技術

在海洋軍事和商業蓬勃發展的驅動下，無人船憑借其高度的自主性、自動性得到了高度的關注。無人船可以在無人參與的情況下自主執行各種高風險的海事任務，路徑跟蹤控制技術在各種海事任務中起著基礎性作用。通常無人船路徑跟蹤控制系統可分為制導子系統和控制子系統。在制導子系統設計中，主要是采用視線制導方法，比例視線制導最先被提出，通過橫向誤差與一個設定參數的反正切值計算期望舵角。積分視線制導在比例視線制導的基礎上，通過一個積分項補償側滑角的影響。自適應視線制導，通過自適應方法估計未知的側滑角。在控制系統的設計中，反步控制、滑模控制、模糊及神經網絡控制方法，被廣泛采用于無人船運動控制中，但是都無法做到對外界擾動和內部未知動態進行精確快速的估計和補償，導致控制系統的控制精度大大降低。

在已有的制導方法中，無人船的速度通常預定義為常量。在這種情況下，無人船實際上僅由方向舵控制，從而不僅降低了總體操縱性與靈活性，而且增加了方向舵的操縱負擔。在控制子系統中，快速精確的擾動估計和補償沒有實現，極大地降低了路徑跟蹤控制系統的精度。

發明內容

為解決現有技術存在的上述問題，本發明要設計一種不僅能提高總體操縱性與靈活性，而且能減輕方向舵的操縱負擔，并能極大地提高路徑跟蹤控制系統精度的基于速度與航向雙重制導的無人船精確路徑跟蹤控制方法。

為了實現上述目的，本發明的技術方案如下：基于速度與航向雙重制導的無人船精確路徑跟蹤控制方法，利用路徑跟蹤控制系統進行跟蹤控制，所述的路徑跟蹤控制系統包括制導子系統和控制子系統；所述的制導子系統是一個決策系統，結合無人船與參考路徑之間的誤差產生速度和航向的參考指令，以此參考指令動作，跟蹤誤差將漸近收斂到零；所述的控制子系統是一個執行系統，使無人船實際姿態和參考指令達到一致，通過設計基于有限時間觀測器的魯棒控制器，實現精確的擾動觀測以及精確跟蹤控制；

所述的路徑跟蹤控制方法，包括以下步驟：

A、建立無人船運動學和動力學模型

基于無人船運動學模型導出路徑跟蹤誤差系統，進而設計制導律穩定制導子系統；基于無人船動力學模型，設計觀測器及控制器穩定控制子系統，進而實現整個路徑跟蹤控制系統的穩定，實現精確的路徑跟蹤控制；

無人船運動學模型如下：

式中，x、y分別是慣性坐標系下無人船的橫坐標、縱坐標，ψ是無人船在慣性坐標系下的航向，u是浮體坐標系下無人船的前向速度，v是浮體坐標系下無人船的橫向速度、r是浮體坐標系下無人船的航向角速度；

無人船動力學模型如下：