[發明專利]基于干擾觀測器和模糊系統的無人艇航跡跟蹤控制方法

有效

• 申請號: 202010126698.7
• 申請日: 2020-02-28
• 公開（公告）號: CN111198502B
• 公開（公告）日: 2021-04-09
• 發明（設計）人: 陳正;張有功;唐建中;聶勇;朱世強
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 忻明年

本發明公開了一種基于干擾觀測器和模糊系統的無人艇航跡跟蹤控制方法。本發明針對無人艇航跡跟蹤控制過程中的系統非線性、模型不確定和外干擾這三個控制難點，設計了一種基于干擾觀測器和模糊邏輯系統的無人艇航跡跟蹤控制方法。設計干擾觀測器來觀測和補償無人艇航行過程中受到的海風、海浪、海流等外干擾，設計模糊邏輯系統來估計和補償無人艇系統的模型不確定，基于無人艇的非線性動力學模型設計滑模控制器來保證無人艇航行控制的穩定性和有效性。

技術領域

本發明屬于無人艇的控制領域，具體來說是一種針對無人艇的模型不確定(建模誤差和參數不確定)以及外干擾(海風、海浪、海流)的條件下，能夠驅動無人艇跟蹤目標航跡的控制方法，提高無人艇航跡跟蹤的穩定性和魯棒性。

背景技術

由于無人艇在自動化和智能化方面具有不可替代的優勢，近年來被廣泛應用于軍事和商業領域，例如海洋環境資源勘探，海上搜救等等。當無人艇在海上工作時，常常受到海風、海浪、海流等外界環境的干擾，因此有必要研究針對無人艇的外干擾進行估計和補償，提高航跡跟蹤控制性能。

同時，無人艇在建模過程中，往往存在建模誤差和模型參數的不確定，從而引起無人艇系統建模的不確定，影響無人艇的航跡跟蹤控制效果。模糊系統不用數值而用語言式的模糊變量來描述系統，不依賴于被控對象的精確數學模型，能夠簡化系統設計的復雜性，特別適用于非線性、時變、滯后、模型不完全系統的控制。因此，結合模糊系統無限逼近的性能，模糊系統非常適合用于估計無人艇建模的模型不確定部分。然而，在現有的無人艇控制理論中，模糊系統大多被用于估計控制器參數，還沒有將模糊系統用于估計無人艇模型不確定，因此有必要對其進行研究。

此外，現有的無人艇航跡跟蹤控制器大都基于線性化的動力學模型，適合于跟蹤在平衡點附近的特定目標航跡，并不適合用于跟蹤處于非平衡點的復雜目標航跡。因此，在設計航跡跟蹤控制器時，需要綜合考慮系統非線性、模型不確定性和外干擾的綜合影響，提高無人艇的航跡跟蹤控制性能。

發明內容

本發明針對無人艇航跡跟蹤控制過程中的系統非線性、模型不確定和外干擾這三個控制難點，設計了一種基于干擾觀測器和模糊邏輯系統的無人艇航跡跟蹤控制方法。其中設計干擾觀測器來觀測和補償無人艇航行過程中受到的海風、海浪、海流等外干擾；設計模糊邏輯系統來估計和補償無人艇系統的模型不確定；基于無人艇的非線性動力學模型設計滑模控制器來保證無人艇航行控制的穩定性和有效性。

為了實現上述目的，本發明具體技術方案如下：

步驟1：建立無人艇非線性動力學模型：

其中，τ表示無人艇的控制輸入，M₀表示無人艇的慣性矩陣，C₀表示無人艇的科里奧利和向心力矩陣，D₀表示無人艇的阻尼矩陣，d_s表示海風、海浪、海流等外干擾，d_m表示系統的模型不確定，η＝[x y ψ]^T表示無人艇在慣性坐標系中的位姿，x和y表示無人艇在慣性坐標系的位置，ψ表示航向角，和分別表示無人艇的航速和加速度，R表示從慣性坐標系{b}到艇體坐標系{i}的旋轉矩陣。

步驟2：設計干擾觀測器，觀測和補償海風、海浪、海流等外干擾。

這里，H表示常值矩陣參數。

步驟3：設計模糊邏輯系統，估計和補償系統的模型不確定。