[發(fā)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?zhí)枺?/td>: 202111121912.0
• 申請日: 2021-09-24
• 公開（公告）號: CN113687597A
• 公開（公告）日: 2021-11-23
• 發(fā)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

本發(fā)明提供一種基于二階波浪漂移力的無人船路徑跟蹤方法，包括：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；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(jù)李亞普諾夫函數(shù)證明系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時設計虛擬控制信號。本發(fā)明將海浪作為一個隨機過程，將海浪對無人船的干擾力也可以看作是一個穩(wěn)定的隨機過程。考慮到跟蹤誤差，采用有色噪聲來刻畫海浪干擾。另外，本發(fā)明在更廣泛的約束條件下，用后推法進行控制器設計，大大提高了無人船的控制精度。

技術領域

本發(fā)明涉及船舶自動控制技術領域，具體而言，尤其涉及一種基于二階波浪漂移力的無人船路徑跟蹤方法。

背景技術

無人水面船簡稱無人船，是一種特殊的、多功能的水面智能機器人。隨著人工智能和信息通信技術的不斷發(fā)展，具有低成本、高效率、高安全性的無人高性能船舶在未來海洋開發(fā)和智能化設備應用中將發(fā)揮更重要的作用。軍事方面，出于保護人身安全的目的，無人船可代替執(zhí)行掃雷、偵察等高危任務，減少安全隱患；民用方面，無人船毫無疑問的可以減少人員費用的支出和提高通航的安全性。

目前來講，無人船的控制方式主要有三種方式：遠程遙控，自主航行，遠程遙控與自主航行相結合。這三種方式中，第二種與第三種方式是目前無人船研究的熱點問題。遠程遙控主要依靠遠程通信技術來實現(xiàn)無人船與岸邊控制中心之間信息交流，存在著范圍局限和信息延遲等問題。自主航行無人船有完整的自動控制系統(tǒng)，避碰和故障診斷系統(tǒng)等，要求自主航行的無人船也遵守相應的交通規(guī)則，對控制精度要求很高。

無人船執(zhí)行任務的基礎前提是能夠精確的進行路徑跟蹤，然而由于無人船體積較小，在海面上航行時，遭受到風、浪、流等外界干擾對無人船運動控制影響較大，其中影響最顯著的是海浪因素。如何精確的控制無人船在海浪等外界干擾下按照預定要求完成路徑跟蹤是無人船仍需攻克的難題。

發(fā)明內容

根據(jù)上述提出的無法精確控制無人船在海浪等外界干擾下按照預定要求完成路徑跟蹤的技術問題，而提供一種基于二階波浪漂移力的無人船路徑跟蹤方法。本發(fā)明針對無人船的路徑跟蹤系統(tǒng)，采用有色噪聲來刻畫海浪干擾，用后推法進行控制器設計，從而使無人船追蹤問題更接近現(xiàn)實情況，有益于推廣應用。

本發(fā)明采用的技術手段如下：

一種基于二階波浪漂移力的無人船路徑跟蹤方法，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(jù)李亞普諾夫函數(shù)證明系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時設計虛擬控制信號。

進一步地，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(shù)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(shù)代替)，τ表示設計控制力，τ_wave表示隨機的海浪干擾力進程。