[發明專利]一種用于不確定系統的船舶路徑跟蹤控制方法

在審

• 申請號: 201910359982.6
• 申請日: 2019-04-30
• 公開（公告）號: CN110134012A
• 公開（公告）日: 2019-08-16
• 發明（設計）人: 陸瀟楊;劉志全
• 申請（專利權）人: 上海海事大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04;G05D1/02
• 代理公司: 上海互順專利代理事務所(普通合伙) 31332
• 代理人: 成秋麗

本發明提出了一種用于不確定系統的船舶路徑跟蹤控制方法，將外部干擾、模型不確定性和不確定系統參數問題同時解決。從描述船舶數學模型開始，考慮實際存在的不為零漂角對跟蹤過程中航向角的影響，引入自適應律以解決不確定性和干擾問題，結合基于反步法設計的控制器保證跟蹤性能。控制算法可有效實現對干擾和不確定性的抑制控制，使跟蹤誤差漸進為零，保證高精度的軌跡跟蹤控制。

技術領域

涉及船舶自動控制技術領域，具體涉及一種用于不確定系統的船舶路徑跟蹤控制方法。

背景技術

在海洋工程迅速發展的今天，船舶航跡控制作為船舶領域中的重要問題一直以來都是研究熱點，對船舶航行的安全性和經濟性有著重要的意義。近幾十年來，現代控制理論被廣泛應用于解決船舶軌跡跟蹤問題，例如輸出反饋、滑模控制、模型預測控制、自適應技術或智能算法來設計控制器，以實現高精度跟蹤控制。

在進行控制器設計時一般都會忽略漂角對航跡控制中航向角的影響，其實船舶實際運動方向和傳統定義下的切線方向相差了一個漂角，可能會導致船舶偏離航線。同時外部干擾和系統不確定性問題會使其跟蹤控制性能惡化，所以干擾和不確定性衰減/抑制控制問題也受到了越來越多國內外學者的關注，但許多控制方法只能保證跟蹤誤差收斂到原點的一個小鄰域內，該如何設計更高精度的跟蹤控制律仍然是一個具有挑戰性的問題。

發明內容

本發明提出了一種用于不確定系統的船舶路徑跟蹤控制方法，將外部干擾、模型不確定性和不確定系統參數問題同時解決。從描述船舶數學模型開始，考慮實際存在的不為零漂角對跟蹤過程中航向角的影響，引入自適應律以解決不確定性和干擾問題，結合基于反步法設計的控制器保證跟蹤性能。控制算法可有效實現對干擾和不確定性的抑制控制，使跟蹤誤差漸進為零，保證高精度的軌跡跟蹤控制。

主要包括以下步驟：

步驟1、建立3自由度欠驅動船舶數學模型；

船舶運動一般用縱蕩、橫蕩、垂蕩、橫搖、縱搖和艏搖這六個獨立變量來描述，然而大多數船舶在縱蕩、橫蕩、垂蕩軸上的運動是開環穩定的，所以船舶控制可以從六自由度簡化為僅在縱搖、橫搖和艏搖方向上的運動問題，因此，根據運動學和動力學給出的三自由度船舶數學模型描述如下：

Δτ(η，v)＝d-ΔC(v)v+ΔD(v)v+Δg(η)-f(η，v) (2)

其中表示船舶的包含附加質量的系統慣性矩陣、表示由于未建模的動力學和傳感器導致的模型不確定性部分，是系統控制輸入，代表未知時變的包括風、海、流在內的外部環境干擾；C₀(v)、ΔC(v)、D₀(v)、ΔD(v)、g₀(η)、Δg(η)分別表示科里奧利向心力矩陣、水動力阻尼矩陣、重力/浮力引起的力或力矩矢量的已知可建模部分和未知不確定部分，代表整個船舶模型的不確定性部分。

狀態向量定義為分別表示船舶在地面固定參考系OX_oY_o中的位置和航向角，狀態向量分別代表在船體參考系BXT中縱搖、橫搖和艏搖方向上相應的速度，由于不在同一坐標系內，下式表示兩坐標系之間的關系：

其中坐標旋轉變換陣為

步驟2、下達期望路徑指令，即設定η_d＝[x_d y_d ψ_d]^T；

步驟3、根據當前船舶在船體參考系BXY中縱搖、橫搖方向速度值u、v，計算漂角值β，并對步驟2中設定的航向角參考值ψ_d進行修正；

假設船舶的相對線速度可用，在不依靠GPS羅經的情況下，利用下式可得實際航行中存在的漂角β：