[發(fā)明專利]一種欠驅動船軌跡跟蹤控制系統

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201911313364.4
• 申請日: 2019-12-18
• 公開（公告）號: CN111007854B
• 公開（公告）日: 2022-10-25
• 發(fā)明（設計）人: 夏國清;夏小明;孫創(chuàng)
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02;G05D1/10
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種欠驅動船軌跡跟蹤控制系統，其特征在于：包括導引系統(1)，虛擬速率控制律(5)，虛擬控制力(9)，干擾觀測器(17)，傳感器系統(14)以及輸入誤差補償器(11)，傳感器系統(14)包含位姿傳感器(15)和速度傳感器(16)；導引系統(1)是由虛擬的船來產生期望的軌跡，從而得到船舶在各個時刻的期望位姿及期望速度；位姿傳感器(15)采集船舶實際位姿信息，將其傳輸給位姿誤差(2)；速度傳感器(16)采集船舶的速度信息，將其傳輸給干擾觀測器(17)，干擾觀測器(17)通過速度信息和船舶的輸入信息估計環(huán)境干擾力；根據位姿傳感器(15)經過微分器(18)和坐標變換器(19)得到的信息，位姿誤差(2)的信息和待設計的虛擬橫向速率控制律(6)，可以解算出虛擬的速率控制律(5)；虛擬速率控制律(5)通過跟蹤微分器(7)獲得其近似微分值和微分值的積分，根據其積分和速率傳感器(16)的速率信息得到了虛擬速率誤差(8)；虛擬控制力(9)根據(7)得到的近似微分值，干擾觀測器(17)的估計值和虛擬速率誤差(8)計算出相應的值，虛擬橫向速率控制律的更新率(10)是根據干擾觀測器(17)估計的橫向干擾，(7)得到的近似微分值和虛擬速率誤差(8)解算出數據并將傳輸給虛擬橫向速率控制律(6)，輸入誤差補償器更新律(4)根據虛擬速率誤差(8)和輸入誤差補償器(11)的輸出值結解算出輸入誤差并將其傳輸給欠驅船(13)，傳遞給船舶的執(zhí)行機構，調整船舶的縱向推力和舵角實現對船舶的準確控制；

導引系統(1)將得到的期望位姿及速度傳遞給控制系統(3)，以估計未知非線性函數和解算控制指令；

跟蹤微分器(7)用于計算虛擬速率控制律(5)的導數；

虛擬橫向速率控制律更新率(10)根據虛擬速率誤差(8)，虛擬速率控制器(5)經過跟蹤微分器(7)的微分值以及干擾觀測器(17)對橫向干擾的估計值，產生相應的虛擬橫向速率控制律(6)傳遞給(5)；

導引系統(1)計算出期望的位置和速度信息，干擾觀測器(17)估計用來估計環(huán)境干擾力，虛擬力控制律(9)與輸入誤差補償器(11)求和后得到最終的控制指令傳輸給欠驅船(13)，從而迫使欠驅船跟蹤上期望軌跡且誤差在有限時間內收斂為零。

2.根據權利要求1所述的一種欠驅動船軌跡跟蹤控制系統，其特征在于：導引系統(1)的軌跡滿足：

其中η_d＝[x_d,y_d,ψ_d]^T是期望的位姿，υ_d是期望的速度。

3.根據權利要求1所述的一種欠驅動船軌跡跟蹤控制系統，其特征在于：傳感器系統(14)將測得的船舶實時的位置η＝[x,y,ψ]^T、速度信息υ＝[u,v,r]^T分別傳遞給微分器(18)和非線性干擾觀測器(17)，其中x為縱蕩位置，y為橫蕩位置，ψ為船舶的艏搖角，u為縱蕩速度，v為橫蕩速度，r艏搖角速度。

4.根據權利要求1所述的一種欠驅動船軌跡跟蹤控制系統，其特征在于：非線性干擾觀測器(17)模型滿足：

其中，Q是觀測器狀態(tài)，是觀測器增益矩陣，是干擾d的估計值；υ為船舶的速度向量；M為系統慣性矩陣；C(υ)為科里奧利向心力矩陣；D(υ)為阻尼矩陣。

5.根據權利要求1所述的一種欠驅動船軌跡跟蹤控制系統，其特征在于：虛擬速率控制器滿足：

k₁,k₂是虛擬速率控制律的增益，且k₁,k₂＞0。

6.根據權利要求1所述的一種欠驅動船軌跡跟蹤控制系統，其特征在于：虛擬橫向速率控制律更新律滿足：

k₄是虛擬橫向速率控制律更新律的增益，且k₄＞0。