[發(fā)明專利]一種水面無人艇軌跡跟蹤控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202210189745.1
• 申請日: 2022-02-28
• 公開（公告）號: CN114442640B
• 公開（公告）日: 2022-09-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 孫明曉;原張杰;欒添添;甄立強(qiáng);譚政綱;吳凱;王瀟;王楠
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱理工大學(xué)
• 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(fā)明涉及一種水面無人艇軌跡跟蹤控制方法，所述方法包括：鑒于水面無人艇在海面航行會受到環(huán)境干擾和洋流變化的影響，在對水面無人艇進(jìn)行三自由度建模時加入洋流變化和環(huán)境擾動，同時搭建干擾觀測器對干擾進(jìn)行觀測和洋流自適應(yīng)估計律對洋流進(jìn)行估計，為了達(dá)到能量消耗小的目的，搭建狀態(tài)誤差端口受控哈密頓控制器，進(jìn)而將干擾值和洋流估計值結(jié)合狀態(tài)誤差端口受控哈密頓控制器設(shè)計軌跡跟蹤控制律，實(shí)現(xiàn)水面無人艇精準(zhǔn)軌跡跟蹤。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及船舶控制工程與船舶自動化航行技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，尤其涉及一種水面無人艇軌跡跟蹤控制方法，適用于水面無人艇軌跡跟蹤控制。

背景技術(shù)

目前世界各國對海洋資源及主權(quán)的重視程度日益增加，推動無人化裝備快速發(fā)展。其中水面無人艇以其快速機(jī)動性，高靈活性以及低成本等著多特性被廣泛關(guān)注。但是由于水面無人艇行駛的海洋環(huán)境復(fù)雜多變，軌跡跟蹤控制研究尚不成熟。

常用的軌跡跟蹤控制方法有反步法、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等等。但是傳統(tǒng)軌跡跟蹤控制方法存在如下問題：

(1)水面無人艇運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)建模困難問題，水面無人艇在海洋環(huán)境中會受到風(fēng)，浪，流的擾動影響，傳統(tǒng)控制算法為了達(dá)到好的控制效果往往忽略這些擾動，設(shè)計的控制器得不到實(shí)際應(yīng)用，軌跡跟蹤的精度難以達(dá)到要求。

(2)能量消耗巨大問題，傳統(tǒng)軌跡跟蹤控制研究目的是提高軌跡跟蹤的精度，忽略高精度軌跡跟蹤對驅(qū)動器性能嚴(yán)格要求，從而導(dǎo)致能量消耗巨大，降低了無人艇航行效率。

論文《Robust state-error port-controlled Hamiltonian trajectorytracking control for unmanned surface vehicle with disturbance uncertainties》提供的控制器，在水面無人艇運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)建模時忽略了洋流變化對運(yùn)動學(xué)方程的影響，在實(shí)際應(yīng)用中，難以達(dá)到軌跡跟蹤效果；

綜上所述，如何在復(fù)雜海洋環(huán)境下設(shè)計水面無人艇軌跡跟蹤控制器已成為亟待解決的難點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提出一種水面無人艇軌跡跟蹤控制方法，解決水面無人艇運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)建模困難、能量消耗巨大問題。

本發(fā)明為了解決上述問題采用以下技術(shù)方案：設(shè)計了一種水面無人艇軌跡跟蹤控制方法，考慮洋流變化以及環(huán)境擾動對水面無人艇進(jìn)行三自由度建模，進(jìn)一步搭建干擾觀測器對干擾進(jìn)行觀測和洋流自適應(yīng)估計律對洋流進(jìn)行估計，將干擾值和洋流估計值結(jié)合狀態(tài)誤差端口受控哈密頓控制器設(shè)計軌跡跟蹤控制律，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)軌跡跟蹤。具體包括以下步驟：

S1：

建立考慮洋流變化的帶擾動水面無人艇三自由度的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)方程；

S2：

構(gòu)建狀態(tài)誤差端口受控哈密頓控制器；

S3：

搭建擾動觀測器和洋流自適應(yīng)估計律；

S4：

根據(jù)擾動觀測器和洋流自適應(yīng)估計律以及狀態(tài)誤差端口受控哈密頓控制器設(shè)計軌跡跟蹤控制律；

S5：

設(shè)計李雅普諾夫函數(shù)，證明控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性；

S6：

對三自由度的水面無人艇進(jìn)行仿真驗(yàn)證，驗(yàn)證算法的有效性。

所述S1中，建立考慮洋流變化的帶擾動水面無人艇三自由度的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)方程具體為：