[發明專利]基于擴張狀態觀測器的欠驅動水面船路徑跟蹤控制方法

有效

• 申請號: 202011359004.0
• 申請日: 2020-11-27
• 公開（公告）號: CN112327883B
• 公開（公告）日: 2023-01-03
• 發明（設計）人: 林孝工;劉葉葉;劉向波;聶君;李恒;張超;賴沖浪;趙大威;常弘煜;孫涵;楊化棟;蘇江玉;孫曉慶;王華霆;田偉達
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種基于擴張狀態觀測器的欠驅動水面船路徑跟蹤控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：獲取欠驅動水面船的位置信息和姿態信息η＝[x,y,ψ]^T，獲取欠驅動水面船的期望速度、期望路徑S(θ)和期望路徑上的目標點P_F＝(x_F(θ),y_F(θ))，θ是路徑參數變量；

未知外界環境干擾條件下模型不確定的欠驅動水面船的數學模型為：

其中，BF坐標下欠驅動水面船的速度狀態向量為υ＝[u,v,r]^T∈R³，u，v，r分別表示縱蕩速度、橫蕩速度以及艏向角速度；欠驅動水面船在NED坐標系下的位置狀態向量η＝[x,y,ψ]^T∈R³，(x,y)∈R²分別表示欠驅動水面船在NED坐標系下的北向位置和東向位置；ψ∈[-π,π]表示欠驅動水面船的艏向角，即NED坐標系下船艏方向和正北方向構成的夾角；R(ψ)表示從BF坐標系到NED坐標系的轉換矩陣，M∈R^3×3表示系統慣性矩陣；C(υ)∈R^3×3表示科里奧利向心力矩陣；D(υ)＝D+D_n(υ)表示船舶水動力阻尼系數矩陣；τ＝[τ_u,0,τ_r]^T表示執行機構的輸入量，τ_u，τ_r分別代表縱向推力和轉艏力矩，橫向推力為零；τ_w＝[τ_wu,τ_wv,τ_wr]^T表示風浪流等外界環境干擾；

步驟2：根據欠驅動水面船的位置信息和姿態信息，通過三階擴張狀態觀測器獲取欠驅動水面船的位置姿態觀測值速度觀測值以及包含模型不確定項和未知環境干擾的合成干擾觀測值

三階擴張狀態觀測器：

其中，為擴張狀態觀測器的觀測誤差；K₁＝diag{k₁₁,k₁₂,k₁₃}∈R^3×3、K₂＝diag{k₂₁,k₂₂,k₂₃}∈R^3×3、K₃＝diag{k₃₁,k₃₂,k₃₃}∈R^3×3為三階擴張狀態觀測器的正定設計矩陣；

步驟3：建立SF坐標系，利用SF坐標系計算欠驅動水面船在SF坐標系下的基于速度觀測值的路徑跟蹤誤差；

以當前目標點P_F＝(x_F(θ),y_F(θ))為原點，以當前目標點在期望路徑的切線為x_SF軸建立SF坐標系，SF坐標系的y_SF軸由x_SF軸順時針旋轉90°得到；欠驅動水面船在SF坐標系的位置坐標為P＝(x(θ),y(θ))；

基于速度觀測值的跟蹤誤差為：

其中，路徑參數更新律、期望艏向角和虛擬控制律如下：

其中，Δ為前視距離；k_ψ＞0，k_s＞0是設計參數；側滑角ψ_e＝ψ-ψ_d，φ的表達式如下：

步驟4：獲取航向飽和補償器的輸出值δ_r；獲取速度飽和補償器的輸出值δ_u；

步驟5：根據基于速度觀測值的航向跟蹤控制律，計算欠驅動水面船的航向控制量τ_rc；

k_r＞0是控制設計參數；I_z表示欠驅動水面船繞Z_B軸轉動的轉動慣量，表示欠驅動水面船艏向角加速度產生的艏向附加轉動慣量系數；

步驟6：根據基于速度觀測值的速度跟蹤控制律，計算欠驅動水面船的速度控制量τ_uc；

其中，k_u＞0是控制設計參數；m表示欠驅動水面船的質量，表示欠驅動水面船縱向加速度產生的縱向附加質量系數；

步驟7：基于欠驅動水面船的速度控制量τ_uc和航向控制量τ_rc對欠驅動水面船控制，實現欠驅動水面船的路徑跟蹤控制。