[發明專利]一種欠驅動水面船有限時間路徑跟蹤輸出反饋控制方法

有效

• 申請號: 202010775077.1
• 申請日: 2020-08-05
• 公開（公告）號: CN112015086B
• 公開（公告）日: 2022-04-26
• 發明（設計）人: 聶君;王海霞;盧曉;盛春陽;張治國;宋詩斌;梁笑
• 申請（專利權）人: 山東科技大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 青島智地領創專利代理有限公司 37252
• 代理人: 肖峰

本發明公開了一種欠驅動水面船有限時間路徑跟蹤輸出反饋控制方法，具體涉及海洋開發探索和水下地形地貌勘測技術領域。本發明通過獲取船舶的位置、姿態信息，建立欠驅動水面船的三自由度運動數學模型和誤差動態方程，設計有限時間擴張狀態觀測器觀測船舶的速度信息和外界環境干擾信息，基于速度觀測值設計有限時間LOS導引律，再根據反步法設計輸出反饋控制器，并且設計有限時間非線性跟蹤微分器，計算有限時間航向跟蹤輸出反饋控制器中虛擬控制律的微分項，實現了對欠驅動水面船的有限時間路徑跟蹤輸出反饋控制。本發明方法提高了有限時間輸出反饋控制策略的收斂速度、跟蹤性能和抗干擾能力，有利于海洋開發探索以及水下地形地貌勘測。

技術領域

本發明涉及海洋開發探索和水下地形地貌勘測技術領域，具體涉及一種欠驅動水面船有限時間路徑跟蹤輸出反饋控制方法。

背景技術

海上航行的大多數船舶為欠驅動船舶，只要推進裝置和轉向操縱設備為螺旋槳推進器和舵，而沒有配備側推裝置，即是一種典型的欠驅動系統。復雜海洋環境中的實際工程問題，比如海上巡航、探測水下地形地貌、水文數據采集、海上作戰等，都需要欠驅動水面船進行路徑跟蹤控制作業才能實現，因此，欠驅動水面船路徑跟蹤控制研究具有重要的實用價值。

對欠驅動水面船進行路徑跟蹤控制，需要通過儀器獲得船舶的位置信息和速度信息，但是如果位置測量值中含有噪聲信號，微分運算會將噪聲信號放大，進而影響欠驅動水面船路徑跟蹤的精度。目前對于船舶速度的觀測多采用無窮時間上的觀測器對速度進行估計，進而進行狀態反饋控制，而有限時間擴張狀態觀測器可以在有限時間內同時觀測船舶未知速度和未知合成干擾，提高路徑跟蹤的性能。

但是，目前在國內外的文獻和專利文件中，尚未見到將有限時間路徑跟蹤輸出反饋控制方法應用到欠驅動水面船路徑跟蹤中的報道。

發明內容

為了將有限時間路徑跟蹤輸出反饋控制方法應用于欠驅動水面船路徑跟蹤中，提高路徑跟蹤的性能，本發明提出了一種欠驅動水面船有限時間路徑跟蹤輸出反饋控制方法。

本發明具體采用如下技術方案：

一種欠驅動水面船有限時間路徑跟蹤輸出反饋控制方法，具體包括以下步驟：

步驟1，采用GPS或電羅經獲取欠驅動水面船的位置和姿態信息；

步驟2，建立大地坐標系NO_NE和船體運動坐標系XO_BY，分別在大地坐標系和船體運動坐標系中對欠驅動水面船建立三自由度運動數學模型，在期望路徑上任取一點，沿此點分別作期望路徑的切線和垂線，建立Serret-Frenet坐標系X_SFO_SFY_SF，結合LOS導引方法，建立Serret-Frenet坐標系下的路徑跟蹤誤差方程，通過對路徑跟蹤誤差方程求導，獲取路徑跟蹤誤差動態方程；

步驟3，根據步驟1中獲取的欠驅動水面船的位置和姿態信息，對欠驅動水面船三自由度運動數學模型進行形式變換，設計有限時間擴張狀態觀測器，觀測欠驅動水面船的速度信息和所受外界環境干擾信息；

步驟4，基于步驟2中建立的跟蹤誤差動態方程，結合欠驅動水面船速度和角速度的觀測值，利用有限時間LOS導引律，獲取期望艏向角；

步驟5，利用反步法設計基于有限時間擴張狀態觀測器的輸出反饋控制器，包括有限時間航向跟蹤輸出反饋控制器和有限時間速度跟蹤輸出反饋控制器；

步驟6，設計有限時間非線性跟蹤微分器，利用有限時間非線性跟蹤微分器計算虛擬控制律的微分項，避免有限時間輸出反饋控制律的計算復雜性。

優選地，所述步驟2具體包括以下子步驟：

步驟2.1：建立大地坐標系NO_NE和船體運動坐標系XO_BY，分別在大地坐標系和船體運動坐標系中建立欠驅動水面船三自由度運動數學模型，如下所示：