[發明專利]一種欠驅動無人船目標包圍控制器結構及設計方法

有效

• 申請號: 201811512474.9
• 申請日: 2018-12-11
• 公開（公告）號: CN109407671B
• 公開（公告）日: 2021-06-29
• 發明（設計）人: 彭周華;姜岳;王丹;劉陸;古楠
• 申請（專利權）人: 大連海事大學
• 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任公司 21212
• 代理人: 李洪福

1.一種欠驅動無人船目標包圍控制器結構，其特征在于：由位置計算單元、速度觀測器、模糊逼近器、距離控制器、航向控制器和動力學控制器組成；所述的位置計算單元輸入端接收無人船狀態和目標相對位置信息；位置計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控制器輸入端相連；所述動力學控制器另一輸入端與模糊逼近器輸出端相連；動力學控制器輸出端與受控欠驅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信息；

所述的目標滿足下面的運動學模型：

其中：分別代表地球參考系下目標在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縱蕩速度、橫漂速度和艏搖角速度，R表示實數集；

所述的欠驅動受控無人船滿足下面的運動學模型：

和動力學模型：

其中分別代表地球參考系下受控無人船在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無人船縱蕩速度、橫漂速度和艏搖角速度；m_u,m_v,m_r∈R是船體坐標系下無人船各方向慣性系數；f_u(·),f_v(·),f_r(·)∈R為無人船各方向的未知非線性函數；τ_wu(t),τ_wv(t),τ_wr(t)∈R代表時變風浪流在各方向對無人船造成的擾動，τ_u,τ_r∈R是所控欠驅動無人船的控制輸入。

2.一種如權利要求1所述的欠驅動無人船目標包圍控制器的設計方法，其特征在于：包括以下步驟：

A、位置計算單元的設計

位置計算單元的輸入信號為受控無人船位姿信息和包圍目標的位置信息x_t,y_t，作為觀測器和控制器的輸入，如下：

其中，ρ表示受控無人船與包圍目標之間距離，β表示目標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表示無人船與目標在縱蕩與橫漂方向的相對距離；

B、速度觀測器的設計

速度觀測器的輸入信號為受控無人船角速度r和計算環節輸出ρ_u,ρ_v,η，觀測器結構設計如下：

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

C、模糊逼近器的設計

模糊逼近器的輸入信號為無人船速度信息u,r和動力學控制器輸出τ_u,τ_r，設計原理基于模糊系統逼近；

模糊系統由模糊規則庫、模糊化機構和解模糊化機構組成；令權值向量Ξ^T＝[Ξ₁,Ξ₂,...,Ξ_N]，以及函數β(χ)＝[β₁(χ),β₂(χ),...,β_N(χ)]^T，其中：

式中，為成員函數，則模糊系統表示為：

y(χ)＝Ξ^Tβ(χ) (7)

模糊逼近器由預估器和權值更新律兩部分組成，其中預估器模塊結構如下：

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

權值更新律設計如下：

式中，Γ_u,Γ_r,是權值更新參數；

D、距離控制器的設計

距離控制器的輸入為給定距離和位置計算單元和速度觀測器的輸出，距離控制器設計基于視距導航方法，其結構為：

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

E、航向控制器的設計

航向控制器的輸入為給定包圍角和計算單元、速度觀測器輸出，航向控制器設計基于反步法，結構如下：

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；

F、動力學控制器的設計

動力學控制器的輸入為給定速度、給定角速度和模糊逼近器輸出，動力學控制器設計基于反步法，結構如下：

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是動力學控制器的輸出信號，k_τu,k_τr為動力學控制器參數。