[發(fā)明專利]一種輸入受限的無人船航向共融控制方法、系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110287295.5
• 申請日: 2021-03-17
• 公開（公告）號: CN113093734A
• 公開（公告）日: 2021-07-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 彭周華;阮明昊;王丹;劉陸;李鐵山
• 申請（專利權(quán)）人: 大連海事大學(xué)
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 大連至誠專利代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 21242
• 代理人: 張海燕;楊威

1.一種輸入受限的無人船航向共融控制方法，其特征在于，包括：

建立無人船的運動學(xué)模型和航向控制系統(tǒng)模型；

當(dāng)航向控制系統(tǒng)遭遇執(zhí)行器故障而引發(fā)效率不足時，通過所述航向控制系統(tǒng)模型獲得控制舵角指令，設(shè)定共融控制輸入信號初始值，并依據(jù)監(jiān)管者的置信度對所述執(zhí)行器故障的檢測結(jié)果進(jìn)行加權(quán)處理，得到執(zhí)行器效率估計信號；

根據(jù)所述控制舵角指令、共融控制輸入信號初始值及執(zhí)行器效率估計信號，獲得航向控制系統(tǒng)狀態(tài)和參考模型系統(tǒng)狀態(tài)；通過比較所述航向控制系統(tǒng)狀態(tài)和參考模型系統(tǒng)狀態(tài)得到狀態(tài)誤差信號；

根據(jù)所述控制舵角指令及狀態(tài)誤差信號，建立前饋和反饋自適應(yīng)律，并通過誤差和非線性估計，得到自適應(yīng)控制輸入信號；

根據(jù)所述自適應(yīng)控制輸入信號和狀態(tài)誤差信號，得到受限控制輸入，以防止控制輸入達(dá)到飽和界限，并得到共融控制輸入信號，以在執(zhí)行器故障時保證航向控制系統(tǒng)跟隨給定信號。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種輸入受限的無人船航向共融控制方法，其特征在于，所述建立無人船的運動學(xué)模型和航向控制系統(tǒng)模型，包括：

所述運動學(xué)模型表示為：

其中，式(2)表示船體參考坐標(biāo)系到地球參考坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)變換矩陣；

式(3)代表地球參考坐標(biāo)系下船舶位置信息；

式中，x代表在地球參考坐標(biāo)系下x軸方向的位置坐標(biāo)，y代表地球參考坐標(biāo)系下y軸方向的位置坐標(biāo)，ψ表示地球參考坐標(biāo)系下船舶的艏搖角；

式(4)代表船體參考坐標(biāo)系下船舶的速度信息；

式中，u為船體參考坐標(biāo)系下的縱蕩速度，υ為船體參考坐標(biāo)系下的橫蕩速度，r為船體參考坐標(biāo)系下的艏搖角速度；

所述航向控制系統(tǒng)模型表示為：

式中，K和T是流體力學(xué)系數(shù)，δ代表執(zhí)行器的控制舵角指令，H(r)是關(guān)于艏搖角速度的未知非線性方程。

3.一種輸入受限的無人船航向共融控制系統(tǒng)，其特征在于，包括：

模型參考模塊、自適應(yīng)輸入控制器模塊、μ-mod輸入受限模塊及故障感知決策模塊；

所述模型參考模塊，用于在航向系統(tǒng)遭遇執(zhí)行器故障而引發(fā)效率不足時，根據(jù)控制舵角指令、所述μ-mod輸入受限模塊輸出的共融控制輸入信號及所述故障感知決策模塊輸出的執(zhí)行器效率估計信號，得到狀態(tài)誤差信號，并輸出至所述自適應(yīng)輸入控制器模塊和μ-mod輸入受限模塊；

所述自適應(yīng)輸入控制器模塊，用于根據(jù)所述控制舵角指令及狀態(tài)誤差信號，得到自適應(yīng)控制輸入信號，并輸出至所述μ-mod輸入受限模塊；

所述μ-mod輸入受限模塊，用于根據(jù)所述自適應(yīng)控制輸入信號、狀態(tài)誤差信號，得到共融控制輸入信號，并輸出至所述模型參考模塊；

所述故障感知決策模塊，用于依據(jù)監(jiān)管者的置信度，對執(zhí)行器故障檢測的結(jié)果加權(quán)重，得到執(zhí)行器效率估計信號，并輸出至所述模型參考模塊。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種輸入受限的無人船航向共融控制系統(tǒng)，其特征在于，所述模型參考模塊，包括：航向控制模塊和參考模型模塊；

所述航向控制模塊和模型參考模塊，表示為：

式中，x_p(t)＝[ψ,r]^T為航向控制系統(tǒng)狀態(tài)，是系統(tǒng)狀態(tài)矩陣，代表控制輸入矩陣，u(t)代表系統(tǒng)輸入，Λ_f代表故障后執(zhí)行器的效率，d代表未知非線性誤差，Φ^T是未知參數(shù)，f(x)代表非線性高階函數(shù)；x_m(t)＝[ψ_m,r_m]^T為參考模型系統(tǒng)狀態(tài)，代表參考狀態(tài)矩陣，代表參考輸入矩陣，代表指令退化自適應(yīng)律，Δu_ad(t)代表對給定指令的糾正，為參數(shù)矩陣且L＜0，e(t)＝x_p(t)-x_m(t)代表系統(tǒng)模型參考誤差。