[發(fā)明專利]基于FA-LADRC的無人船艇航向控制系統(tǒng)

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010589381.7
• 申請日: 2020-06-24
• 公開（公告）號(hào): CN111897324A
• 公開（公告）日: 2020-11-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 葛愿;胡俊祥;余諾;黃宜慶;韓超;高文根
• 申請（專利權(quán)）人: 安徽工程大學(xué)
• 主分類號(hào): G05D1/02
• 分類號(hào): G05D1/02
• 代理公司: 蕪湖安匯知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 34107
• 代理人: 鐘雪

本發(fā)明公開了一種基于FA?LADRC的無人船艇航向控制系統(tǒng)，具體如下：跟蹤微分器接收設(shè)定的航向角信息，計(jì)算航向角近似值以及其一階微分；線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器接收實(shí)際的航向角信息和船艇的輸入控制量，計(jì)算出無人船實(shí)際航向的估計(jì)值及其一階微分的估計(jì)值，同時(shí)計(jì)算總擾動(dòng)的估計(jì)值；線性狀態(tài)誤差反饋模塊根據(jù)線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器傳送的總擾動(dòng)估計(jì)值然對(duì)輸入控制量進(jìn)行補(bǔ)償，計(jì)算無人船艇的輸出控制量；結(jié)合實(shí)際航向角信息和無人船艇航向設(shè)定信息，利用螢火蟲算法對(duì)線性自抗擾模塊觀測器帶寬w_o和無阻尼頻率w_c進(jìn)行整定，使最終航向輸出穩(wěn)定。需要整定的參數(shù)更少，算法簡單高效；結(jié)合螢火蟲算法，通過時(shí)間乘絕對(duì)誤差積分準(zhǔn)則建立目標(biāo)函數(shù)，系統(tǒng)更為穩(wěn)定高效。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于航向控制技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，本發(fā)明涉及一種基于FA-LADRC的無人船艇航向控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)

近年來，隨著陸地資源不斷消耗，人們對(duì)海洋資源的需求不斷提升。為了更好的開發(fā)海洋資源，無人船艇開始被各國重視起來。為了經(jīng)濟(jì)和安全的目的，無人船艇要盡可能保持在航線上。無人船艇海上航行時(shí)會(huì)遇到風(fēng)浪流等干擾，因此如何使無人船艇在海上航行時(shí)保持航向成為有關(guān)部門關(guān)注的重點(diǎn)。

目前為止，很多專家學(xué)者針對(duì)無人船艇航向控制方面做了許多的工作，例如引入PID控制、反步控制和自適應(yīng)控制等控制方法，但是這些控制方法對(duì)被控對(duì)象建模精度要求較高，對(duì)外界環(huán)境的抗擾能力只在一定條件下適用，魯棒性不高。線性自抗擾控制方法因?yàn)椴灰蕾嚤豢貙?duì)象具體模型抗擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，于是有學(xué)者針對(duì)無人船艇控制系統(tǒng)引入線性自抗擾控制方法，線性自抗擾可調(diào)參數(shù)少，繼承了PID控制不需要被控對(duì)象精確模型的特點(diǎn)同時(shí)又克服了自抗擾控制需要整定參數(shù)多的局限。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種基于FA-LADRC的無人船艇航向控制系統(tǒng)，通過將線性自抗擾控制和螢火蟲算法結(jié)合，實(shí)現(xiàn)線性自抗擾控制的觀測器帶寬w_o和無阻尼頻率w_c，可以有效降低參數(shù)整定難度，使無人船艇航向控制變得更加簡單高效。

本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種基于FA-LADRC的無人船艇航向控制系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：線性自抗擾控制模塊，其中線性自抗擾模塊包含跟蹤微分器、線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器、線性狀態(tài)誤差反饋模塊，其中，基于FA-LADRC的無人船艇航向控制方法具體包括如下步驟：

步驟1，跟蹤微分器接收用戶設(shè)定的航向角信息，計(jì)算航向角近似值以及其一階微分；

步驟2，線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器接收實(shí)際的航向角信息和船艇的輸入控制量，計(jì)算出無人船實(shí)際航向的估計(jì)值及其一階微分的估計(jì)值，同時(shí)計(jì)算總擾動(dòng)的估計(jì)值；

步驟3，線性狀態(tài)誤差反饋模塊接收跟蹤微分器傳送用戶設(shè)定的航向角近似值和航向角近似值的一階微分，同時(shí)接收線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器傳送的實(shí)際航向角的估計(jì)值和實(shí)際航向角一階微分的估計(jì)值；然后根據(jù)線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器傳送的總擾動(dòng)估計(jì)值然對(duì)輸入控制量進(jìn)行補(bǔ)償，計(jì)算無人船艇的輸出控制量；

步驟4，結(jié)合實(shí)際航向角信息和無人船艇航向設(shè)定信息，利用螢火蟲算法對(duì)線性自抗擾模塊觀測器帶寬w_o和無阻尼頻率w_c進(jìn)行整定，使最終航向輸出穩(wěn)定。

進(jìn)一步的，所述步驟4包括如下：

基于無人船艇的實(shí)際航向角和設(shè)定航向角來建立螢火蟲算法的目標(biāo)函數(shù)；

獲取最小目標(biāo)函數(shù)值對(duì)應(yīng)的觀測器帶寬值w_o和無阻尼頻率值w_c。

進(jìn)一步的，利用時(shí)間乘絕對(duì)誤差積分準(zhǔn)則作為性能指標(biāo)函數(shù)，即目標(biāo)函數(shù)，目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式具體如下：

e(t)＝y(tǒng)(k)-y_m(k)