[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

本發明屬于欠驅動水面船的路徑跟蹤控制技術領域，具體涉及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。本發明設計了三階擴張狀態觀測器，可同時觀測出欠驅動水面船的速度以及由模型不確定項和未知外界環境干擾構成的未知合成干擾。本發明設計了基于速度觀測值的LOS導引律和路徑跟蹤抗飽和輸出反饋控制器，實現了欠驅動水面船在執行器輸入飽和以及速度測量值未知條件下的路徑跟蹤魯棒控制。本發明實現了欠驅動水面船在模型不確定、未知外界環境干擾、速度測量值未知以及執行器輸入飽和的情況下，能夠以期望速度跟蹤期望路徑，并且跟蹤誤差最終均能收斂于零附近。

技術領域

本發明屬于欠驅動水面船的路徑跟蹤控制技術領域，具體涉及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。

背景技術

對欠驅動水面船進行路徑跟蹤控制，需要知道船舶的狀態信息，即位置信息和速度信息，這些信息一般可以通過儀器測量獲得。對于船舶的位置信息，通常采用全球定位系統、Artemis微波位置參考系統以及水聲位置參考系統獲得準確的位置測量值。對于船舶的速度信息，可以通過多普勒計程儀測量，但是在多種情況下，由于船舶艙室空間的限制和成本的約束，可能沒有安裝多普勒計程儀，又可能此傳感器發生故障或者受噪聲污染，導致測量值不準確。那么在此種情況下，船舶速度信息的獲取最簡單的方式就是對船舶位置測量值進行數值微分。可是，如果位置測量值中含有噪聲信號，微分運算就會放大這些噪聲信號，進而影響欠驅動水面船路徑跟蹤的精度。上述的這些問題可以概括為船舶速度測量值未知的情況。針對上述的這些問題，很多學者研究人員提出了基于速度觀測器的控制方法。但是現有大部分文獻針對船舶速度測量值未知情況下設計的觀測器是漸近收斂的，換句話說，被觀測的系統狀態無法在有限時間內收斂于真實值。因此，考慮速度測量值未知條件下的欠驅動水面船路徑跟蹤控制問題具有重要的意義，同時也給研究人員帶來很大的挑戰。

發明內容

本發明的目的在于提供解決欠驅動水面船在模型不確定、未知外界環境干擾、速度測量值未知以及執行器輸入飽和的情況下的路徑跟蹤輸出反饋控制問題的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。

本發明的目的通過如下技術方案來實現：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；