[發明專利]一種基于二階波浪漂移力的無人船路徑跟蹤方法

在審

• 申請號: 202111121912.0
• 申請日: 2021-09-24
• 公開（公告）號: CN113687597A
• 公開（公告）日: 2021-11-23
• 發明（設計）人: 單麒赫;孟一平;滕菲;李鐵山;王孝健
• 申請（專利權）人: 大連海事大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 李馨

1.一種基于二階波浪漂移力的無人船路徑跟蹤方法，其特征在于，包括：

S1、基于二階波浪力擾動，構建帶有隨機噪聲的無人船運動模型；

S2、基于所述帶有隨機噪聲的無人船運動模型，通過反步法設計無人船路徑跟蹤控制器，并基于所述無人船路徑跟蹤控制器對無人船進行路徑跟蹤，其中通過反步法設計無人船路徑跟蹤控制器包括：定義變量誤差，根據李亞普諾夫函數證明系統的穩定性，同時設計虛擬控制信號。

2.根據權利要求1所述的基于二階波浪漂移力的無人船路徑跟蹤方法，其特征在于，基于二階波浪力擾動，構建帶有隨機噪聲的無人船運動模型，包括：

S101、構建轉換矩陣將船舶慣性矩陣和船舶固定坐標系進行轉換，

其中為無人船航向角；

S102、構建船舶位置與速度之間的關系模型：

其中，表示船舶位置，X為船舶空間位置橫坐標，Y為船舶空間位置縱坐標，為航向角，v＝[u,v,r]^T表示船舶三自由度運動速度，u為縱蕩速度，v為橫蕩速度，r為艏搖速度，表示船舶慣性矩陣和船舶固定坐標系兩個坐標系之間的轉換矩陣，M表示慣性動力學參數矩陣(由水動力學附加慣性和船舶重量慣性組成)，D是阻尼矩陣，(為了便于仿真，最后用常數代替)，τ表示設計控制力，τ_wave表示隨機的海浪干擾力進程。

3.根據權利要求1或2所述的基于二階波浪漂移力的無人船路徑跟蹤方法，其特征在于，基于二階波浪力擾動，構建帶有隨機噪聲的無人船運動模型，還包括考慮無人船路徑跟蹤系統中的二階波浪，建立二階波浪力干擾模型，具體包括：

S201、將波浪對船舶的擾動分解為一階波浪力和二階波浪力，其中一階波浪力為高頻力，船舶針對所述一階波浪力的響應表現為六自由度的高頻振蕩，所述二階波浪力為低頻力，船舶針對所述二階波浪力的響應表現為船舶的水平位置和航向；

S202、基于所述一階波浪力和二階波浪力獲取海浪的外界載荷：

其中，X為模擬橫搖方向外載荷，Y為模擬縱搖方向外載荷，N為模擬艏搖方向外載荷；ρ為海水密度，l是無人船的長度，χ是無人船與海浪之間的遭遇角度，S(ω)是有色噪聲譜密度函數，ω是有色噪聲譜密度函數頻率，分別為實驗系數，其中：

S203、將模擬的有色噪聲頻譜密度與標準P-M譜進行擬合，則獲取有色噪聲頻譜密度為：

其中α，β，γ是常數；

S204、基于獲取的有色噪聲頻譜密度求取隨機的二級干擾力進程。

4.根據權利要求3所述的基于二階波浪漂移力的無人船路徑跟蹤方法，其特征在于，通過反步法設計無人船路徑跟蹤控制器，包括：

設計無人船路徑跟蹤控制器的誤差變量：

e₁＝η-η_d

e₂＝-α

其中，表示船舶位置，η_d為參考信號，v＝[u,v,r]^T表示船舶三自由度運動速度,α∈R³是待設計的虛擬控制函數，從而獲取無人船路徑跟蹤控制器的控制力為：

其中，d為常數，K₂為對角矩陣。