[發明專利]一種輸入受限的無人船航向共融控制方法、系統及結構

在審

• 申請號: 202110287295.5
• 申請日: 2021-03-17
• 公開（公告）號: CN113093734A
• 公開（公告）日: 2021-07-09
• 發明（設計）人: 彭周華;阮明昊;王丹;劉陸;李鐵山
• 申請（專利權）人: 大連海事大學
• 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所(特殊普通合伙) 21242
• 代理人: 張海燕;楊威

本發明公開了一種輸入受限的無人船航向共融控制方法、系統及結構，包括：模型參考模塊、自適應輸入控制器模塊、μ?mod輸入受限模塊及故障感知決策模塊；模型參考模塊在航向系統遭遇執行器故障而引發的效率不足時，通過比較受控對象與參考模型獲取兩者的誤差信息，從而使得航向系統的輸出盡可能跟隨參考模型的輸出；自適應輸入控制器模塊包含前饋和反饋調節器，在不完全確定或局部變化的環境中，保持與環境的自適應性；μ?mod輸入受限模塊通過建立虛擬緩沖區，克服輸入飽和的問題，保證無人船航向控制系統能夠跟隨給定信號；故障感知決策模塊依據監管者的置信度，對異常檢測的結果加權重，拓展了自動駕駛儀單獨處理異常的能力。

技術領域

本發明涉及無人船運動控制技術領域，尤其涉及一種輸入受限的無人船航向共融控制方法、系統及結構。

背景技術

海洋蘊藏著巨大的礦產資源、石油天然氣資源和海洋生物資源等，對人類的生存和可持續發展具有重要意義。為了更好的探索海洋環境，利用海洋資源，維護海洋權益，各種海洋自主航行裝備成為海洋領域的研究熱點，無人船(USV)作為一種智能的、多功能的且可以遠程控制或者自主航行兩種方式操縱的水面平臺，憑借高機動性、可部署性、智能化等特點，具有重要的軍用和民用價值。無人船在高度復雜多樣的環境下執行任務，當機械元器件遭遇物理故障或通信傳感器遭受網絡攻擊時，會出現無人船動力推進系統運行效率下降，引發執行動力缺失等問題。在跟蹤給定指令時，執行器效率不足難以完成跟蹤任務，將出現控制輸入快速飽和的現象，導致無人船控制系統穩定性降低，甚至失控，造成嚴重后果。

目前針對無人船在異常情況下的控制問題有很多控制方法，如自適應控制、模型預測控制、反步控制、模糊PID控制等。然而在無人船控制方面，在發生故障時，現有的控制技術存在下列不足：

一是在現有具有執行機構故障的無人船在完成任務的過程中存在執行效率不足的狀況，將引發控制輸入過于飽和，對航向命令的跟蹤出現誤差甚至完全跟蹤失敗，風浪流等擾動具有隨機性和不確定性加劇了航向控制系統的不穩定性。

二是無人船的實際運動異常復雜多變，行進過程中容易遭受海風浪的擾動，要求無人船航向控制系統具有一定的精確性和魯棒性。現有航向控制器在控制過程中無法實時在線修改參數，對于不能建立精確數學模型的被控系統沒有很好的適應性。

三是現有無人船自動駕駛儀在面對執行器故障時無法單獨完成對異常的檢測和糾正，需要解除控制權轉移給監管人排除異常，難以維持對給定指令的持續跟蹤，不能達到很好的控制效果。

發明內容

本發明提供一種輸入受限的無人船航向共融控制方法、系統及結構，以克服上述技術問題。

本發明一種輸入受限的無人船航向共融控制方法，包括：

建立無人船的運動學模型和航向控制系統模型；

當航向控制系統遭遇執行器故障而引發效率不足時，通過所述航向控制系統模型獲得控制舵角指令，設定共融控制輸入信號初始值，并依據監管者的置信度對所述執行器故障的檢測結果進行加權處理，得到執行器效率估計信號；

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

根據所述控制舵角指令及狀態誤差信號，建立前饋和反饋自適應律，并通過誤差和非線性估計，得到自適應控制輸入信號；

根據所述自適應控制輸入信號和狀態誤差信號，得到受限控制輸入，以防止控制輸入達到飽和界限，并得到共融控制輸入信號，以在執行器故障時保證航向控制系統跟隨給定信號。

進一步地，所述建立無人船的運動學模型和航向控制系統模型，包括：

所述運動學模型表示為：