[發明專利]一種欠驅動船軌跡跟蹤控制系統

有效

• 申請號: 201911313364.4
• 申請日: 2019-12-18
• 公開（公告）號: CN111007854B
• 公開（公告）日: 2022-10-25
• 發明（設計）人: 夏國清;夏小明;孫創
• 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

本發明公開一種欠驅動船軌跡跟蹤控制系統，采集船舶實際位姿及速度信息，干擾觀測器估計欠驅船所受外力干擾。導引系統提供各時刻期望位姿和速度。虛擬速率控制律基于坐標變換后速度微分值和位姿誤差產生相應的值。一個輔助虛擬橫向速率控制律處理欠驅問題。虛擬控制力基于虛擬速率控制律的微分值，虛擬速率誤差和干擾的估計值產生相應的值。控制輸入是基于虛擬輸入力和輸入誤差補償器的和，得到最終的控制指令傳遞給船舶，達到期望位置。本發明考慮了執行機構的輸入飽和和輸入速率限制，提出了基于虛擬控制律和輸入誤差補償器的控制器，并將其應用到欠驅船的軌跡跟蹤控制上，降低執行機構的輸入速率對于降低推進器磨損和節能環保有著重大意義。

技術領域

本發明屬于自動控制領域，涉及一種欠驅動船軌跡跟蹤控制系統，特別是一種考慮執行機構輸入飽和和速率限制的欠驅船軌跡跟蹤控制系統。

背景技術

近年來，無人船越來越受到各方的重視，它們已經被應用到各種各樣的任務。在民用領域，它們被廣泛應用于海底測繪、石油天然氣工業管道檢測與查找空中救援行動中失蹤的飛機殘骸。在軍事上應用，廣泛應用于監視以及偵察任務、水雷反制措施、海洋補給等多個方面。在執行各種任務時，無人船精確運動控制至關重要。

當執行任務的無人船實現自動化，迫使無人船沿著預定軌跡進行精確跟蹤有許多問題有待解決。在設計軌跡跟蹤控制器的時候，大多數文獻所設計的控制器考慮從了執行機構輸入飽和，并沒有考慮執行機構輸入速率限制。在控制器的設計過程中，不考慮輸入速率限制時，設計出的控制力是劇烈抖動的，其很難應用于實際。此外，大多數文獻考慮的是關于全驅船軌跡跟蹤控制器設計，而大多數的船都是欠驅的。

中國專利CN11018687A提出了一種針對無人水面船最優軌跡跟蹤控制方法，利用最優代價函數來篩選出最優控制策略來控制無人船。與該方法的不同是，本發明主要在考慮執行機構輸入飽和和輸入速率限制設計了欠驅船軌跡跟蹤控制器。

發明內容

針對上述現有技術，本發明要解決的技術問題是提供一種考慮執行機構輸入飽和和速率限制的欠驅船軌跡跟蹤控制系統。

為解決上述技術問題，本發明的一種欠驅動船軌跡跟蹤控制系統，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；