[發明專利]一種基于三角函數型映射的無人船路徑跟蹤約束控制方法

在審

• 申請號: 202211329526.5
• 申請日: 2022-10-27
• 公開（公告）號: CN115509237A
• 公開（公告）日: 2022-12-23
• 發明（設計）人: 佟海艷;付雪蓮;劉彩云;王海濱
• 申請（專利權）人: 哈爾濱理工大學
• 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

本發明公開了一種基于三角函數型映射的無人船路徑跟蹤約束控制方法，本發明涉及路徑跟蹤技術領域，尤其涉及基于三角函數型映射的無人船路徑跟蹤約束控制方法，包含以下步驟：步驟(1)：建立無人船運動三自由度數學模型；步驟(2)：構建非線性映射函數；步驟(3)：對原有系統的狀態進行非線性映射變換，得到無約束系統；步驟(4)：設計基于三角函數型映射的艏向直接約束控制器；步驟(5)：設計基于三角函數型映射的縱蕩直接約束控制器；步驟(6)：仿真驗證。本發明要解決無人船在行駛過程中環境受限導致的約束問題，通過構建一種三角函數型映射函數處理狀態約束，將原來受約束限制的系統映射為無約束的新系統，基于新系統設計控制器。

技術領域：

本發明涉及路徑跟蹤技術領域，尤其涉及基于三角函數型映射的無人船路徑跟蹤約束控制方法。

背景技術：

無人船是一種無人操作的水面艦艇，主要用于執行危險以及不適于有人船只執行的任務。盡管無人船的發展還存在不確定性，但隨著現在社會發展加速，人口數量激增，人們迫切的想要探索并利用和保護海洋環境，所以無人船被廣泛應用于環境惡劣以及危險的任務中。

無人船體量小，推力有限，屬于典型的欠驅動系統，在復雜的海洋環境中，容易受到風、浪、流的影響，出現偏航距超限，航向不穩定等情況。因此在無人船運動控制方面，需要處理航行中船體受到的約束限制，保證無人船在航行過程中不受環境限制，提高可操作性和可行性。本發明提出一種基于三角函數型映射的無人船路徑跟蹤約束控制方法，以期待在環境約束條件下獲得更好的操作性。

發明內容：

本發明在于公開狀態約束下的基于三角函數型映射的無人船路徑跟蹤約束控制方法。

本發明的目的是這樣實現的：

一種基于三角函數型映射的無人船路徑跟蹤約束控制方法，包含如下步驟：

步驟(1)：建立無人船運動三自由度數學模型：

根據無人船在水面的運動情況，在固定坐標系和船體坐標系下，對其縱蕩、橫蕩和艏搖角速度，建立無人船的三自由度數學模型，包括三自由度運動學模型和三自由度動力學模型；

步驟(2)：構建非線性映射函數：

提出基于非線性系統狀態的三角函數型映射函數，描述函數所滿足的條件，對有約束的狀態進行映射，得到映射后無約束的新狀態；

步驟(3)：對現有系統的狀態進行三角函數型非線性映射變換，得到無約束系統：

基于步驟(1)建立的數學模型，采用步驟(2)中構建的三角函數型映射函數，分別對艏搖子系統和縱蕩子系統進行非線性映射，將原來有約束的系統轉換為無約束的新系統；

步驟(4)：設計基于三角函數型映射的艏向直接約束控制器：

基于步驟(3)中獲得的映射后的二階艏向子系統，引入一階濾波誤差，采用動態面設計方法，設計基于三角函數型映射的艏向直接約束控制器；

步驟(5)：設計基于三角函數型映射的縱蕩直接約束控制器：

基于步驟(3)中獲得的映射后的一階縱蕩子系統，采用反步遞推方法，設計基于三角函數型映射的縱蕩直接約束控制器；

步驟(6)：仿真驗證：

將步驟(1)～步驟(5)設計的艏向直接約束控制器和縱蕩直接約束控制器在某型無人船上進行仿真實驗。

本發明包含以下有益效果：

本發明所述的基于三角函數型映射的無人船路徑跟蹤約束控制方法，針對無人船在行駛過程中環境對縱蕩速度、艏向角度和艏搖角速度產生的約束，通過三角函數型映射函數，將原狀態轉化成無約束的狀態，消除了無人船在工作中為了保證約束條件所必須的虛擬控制器參數依賴的可行性條件，提高了無人船的可操控性。