[發(fā)明專利]一種欠驅(qū)動無人船目標(biāo)包圍控制器結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811512474.9
• 申請日: 2018-12-11
• 公開（公告）號: CN109407671B
• 公開（公告）日: 2021-06-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 彭周華;姜岳;王丹;劉陸;古楠
• 申請（專利權(quán)）人: 大連海事大學(xué)
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責(zé)任公司 21212
• 代理人: 李洪福

1.一種欠驅(qū)動無人船目標(biāo)包圍控制器結(jié)構(gòu)，其特征在于：由位置計(jì)算單元、速度觀測器、模糊逼近器、距離控制器、航向控制器和動力學(xué)控制器組成；所述的位置計(jì)算單元輸入端接收無人船狀態(tài)和目標(biāo)相對位置信息；位置計(jì)算單元輸出端分別與速度觀測器、距離控制器和航向控制器的輸入端相連；所述速度觀測器另一輸入端接收無人船速度信息，速度觀測器輸出端分別與距離控制器和航向控制器輸入端相連；所述距離控制器輸入端接收給定圍繞距離；距離控制器輸出端與航向控制器輸入端相連；所述航向控制器輸出端與動力學(xué)控制器輸入端相連；所述動力學(xué)控制器另一輸入端與模糊逼近器輸出端相連；動力學(xué)控制器輸出端與受控欠驅(qū)動無人船輸入端和模糊逼近器輸入端相連；所述模糊逼近器另一輸入端接收無人船狀態(tài)信息；

所述的目標(biāo)滿足下面的運(yùn)動學(xué)模型：

其中：分別代表地球參考系下目標(biāo)在x、y軸上的位置及艏搖角信息；u_t,v_t,r_t∈R表示船體參考系下目標(biāo)縱蕩速度、橫漂速度和艏搖角速度，R表示實(shí)數(shù)集；

所述的欠驅(qū)動受控?zé)o人船滿足下面的運(yùn)動學(xué)模型：

和動力學(xué)模型：

其中分別代表地球參考系下受控?zé)o人船在x、y軸上的位置及艏搖角信息；u,v,r∈R表示船體參考系下受控?zé)o人船縱蕩速度、橫漂速度和艏搖角速度；m_u,m_v,m_r∈R是船體坐標(biāo)系下無人船各方向慣性系數(shù)；f_u(·),f_v(·),f_r(·)∈R為無人船各方向的未知非線性函數(shù)；τ_wu(t),τ_wv(t),τ_wr(t)∈R代表時變風(fēng)浪流在各方向?qū)o人船造成的擾動，τ_u,τ_r∈R是所控欠驅(qū)動無人船的控制輸入。

2.一種如權(quán)利要求1所述的欠驅(qū)動無人船目標(biāo)包圍控制器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于：包括以下步驟：

A、位置計(jì)算單元的設(shè)計(jì)

位置計(jì)算單元的輸入信號為受控?zé)o人船位姿信息和包圍目標(biāo)的位置信息x_t,y_t，作為觀測器和控制器的輸入，如下：

其中，ρ表示受控?zé)o人船與包圍目標(biāo)之間距離，β表示目標(biāo)相對于無人船的視距角，η表示無人船艏向與視距垂線方向夾角，ρ_u,ρ_v表示無人船與目標(biāo)在縱蕩與橫漂方向的相對距離；

B、速度觀測器的設(shè)計(jì)

速度觀測器的輸入信號為受控?zé)o人船角速度r和計(jì)算環(huán)節(jié)輸出ρ_u,ρ_v,η，觀測器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下：

其中，分別表示ρ_u,u_s,ρ_v,v_s,η,σ_η的估計(jì)值，k_i是觀測器參數(shù)，k_i＞0,i＝1,...,6；

C、模糊逼近器的設(shè)計(jì)

模糊逼近器的輸入信號為無人船速度信息u,r和動力學(xué)控制器輸出τ_u,τ_r，設(shè)計(jì)原理基于模糊系統(tǒng)逼近；

模糊系統(tǒng)由模糊規(guī)則庫、模糊化機(jī)構(gòu)和解模糊化機(jī)構(gòu)組成；令權(quán)值向量Ξ^T＝[Ξ₁,Ξ₂,...,Ξ_N]，以及函數(shù)β(χ)＝[β₁(χ),β₂(χ),...,β_N(χ)]^T，其中：

式中，為成員函數(shù)，則模糊系統(tǒng)表示為：

y(χ)＝Ξ^Tβ(χ) (7)

模糊逼近器由預(yù)估器和權(quán)值更新律兩部分組成，其中預(yù)估器模塊結(jié)構(gòu)如下：

式中，為m_u,m_r的近似值，表示u,v,Ξ_u,Ξ_r的估計(jì)值，k₇,k₈是模糊逼近器參數(shù)，χ_u＝[u(t),u(t-t_d),τ_u]，χ_r＝[r(t),r(t-t_d),τ_r]；

權(quán)值更新律設(shè)計(jì)如下：

式中，Γ_u,Γ_r,是權(quán)值更新參數(shù)；

D、距離控制器的設(shè)計(jì)

距離控制器的輸入為給定距離和位置計(jì)算單元和速度觀測器的輸出，距離控制器設(shè)計(jì)基于視距導(dǎo)航方法，其結(jié)構(gòu)為：

式中，ρ_e＝ρ-ρ_d表示距離誤差，η_d為給包圍角度信號，Δ為視距導(dǎo)航法的前視距離；

E、航向控制器的設(shè)計(jì)

航向控制器的輸入為給定包圍角和計(jì)算單元、速度觀測器輸出，航向控制器設(shè)計(jì)基于反步法，結(jié)構(gòu)如下：

式中，η_e＝η-η_d表示包圍角誤差，r_d為給定角速度，k_r為航向控制器參數(shù)；

F、動力學(xué)控制器的設(shè)計(jì)

動力學(xué)控制器的輸入為給定速度、給定角速度和模糊逼近器輸出，動力學(xué)控制器設(shè)計(jì)基于反步法，結(jié)構(gòu)如下：

式中，u_e＝u-u_d,r_e＝r-r_d表示速度誤差和角速度誤差，τ_u,τ_r是動力學(xué)控制器的輸出信號，k_τu,k_τr為動力學(xué)控制器參數(shù)。