[发明专利]基于有限时间扩张状态观测器的精准航迹跟踪控制方法

说明书

本发明提供一种基于有限时间扩张状态观测器的精准航迹跟踪控制方法。本发明方法，包括如下步骤：建立表示当前无人船运动特性的数学模型和运动方程，根据无人水面船运动跟踪误差和非奇异快速终端滑模面设计结合非奇异快速终端滑模控制律，根据无人船的运动特性设计有限时间扩张状态观测器，根据结合非奇异快速终端滑模控制律和有限时间扩张状态观测器设计精准航迹跟踪控制律。通过设计有限时间扩张状态观测器，包含外界干扰和复杂非线性项的集总干扰能够被有限时间观测至足够小的范围，避免了渐近观测的局限性。通过设计的结合有限时间扩张状态观测器以及非奇异快速终端滑模的无人船轨迹跟踪控制器，实现了复杂外界干扰下的精准航迹跟踪控制性能。

技术领域

本发明涉及船舶控制工程与船舶自动化航行技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于有限时间扩张状态观测器的精准航迹跟踪控制方法。

背景技术

由于各国对海洋权益的重视程度日益增加，近年来无人水面船凭借其能够降低任务执行成本以及人力成本等诸多特性受到了广泛的关注。采用一定的控制算法不仅能够使无人船精确的跟踪给定的任务轨迹，也能够增强其鲁棒性，提升抗干扰能力。常见的无人船控制算法有反步法(Backstepping)、基于级联系统的方法、模糊神经网络等。在不考虑干扰情况下，基于反步法、基于级联系统的方法能够取得良好的跟踪效果，且实现了全局渐近或全局指数稳定的性能，尽管基于上述技术的方法已经在无人水面船轨迹跟踪控制领域取得了良好的效果，但在复杂干扰下的无人水面船航迹跟踪控制问题仍然是开放且具有挑战性的。在考虑干扰的情况下，近年来也有一些基于模糊逻辑系统以及神经网络的控制方法，然而，这类基于逼近技术的控制方法仅能实现渐近或指数稳定，且存在一定的有界逼近残差，导致跟踪精度大大降低。

现有的方法仅能确保跟踪误差在时间趋于无穷远时能够被镇定到零点或零点附近邻域内，仅具有渐近收敛特性，收敛速度慢，控制精度低。此外，现有的扰动观测技术也较少能够实现有限时间观测，难以快速精准的观测扰动值。综上所述，现有的方法难以实现在复杂外界环境干扰下的无人水面船精准航迹跟踪控制。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种基于有限时间扩张状态观测器的精准航迹跟踪控制方法。本发明主要利用有限时间扩张状态观测器以及非奇异快速终端滑模滑模技术设计了基于有限时间扩张状态观测器的精准航迹跟踪控制方法，同时实现了航迹以及扰动观测的有限时间稳定，极大地提升了无人水面船船精准跟踪的性能，为无人水面船能够高效稳定的执行任务提供了坚实的理论基础。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于有限时间扩张状态观测器的精准航迹跟踪控制方法，包括如下步骤：

S1、建立表示当前无人水面船运动特性的三自由度无人水面船数学模型和无人水面船运动方程；

S2、根据无人水面船运动跟踪误差和非奇异快速终端滑模面设计结合非奇异快速终端滑模控制律；

S3、根据无人水面船的运动特性设计有限时间扩张状态观测器，所述有限时间扩张状态观测器用于在有限时间内对外界扰动以及复杂非线性部分的集总干扰进行观测；

S4、根据S2和S3中的所述结合非奇异快速终端滑模控制律和有限时间扩张状态观测器设计精准航迹跟踪控制律。

进一步地，所述步骤S1中，建立三自由度的无人水面船数学模型具体为：

其中，式(1)中，η＝[x,y,ψ]^T为地球固定坐标系下无人水面船的位置，(x，y)表示具体位置坐标，Ψ表示方向角，ν＝[u,v,r]^T为附体坐标系下无人水面船运动的速度，(u，v)表示线速度，r表示角速度，R(ψ)为地球固定坐标系与附体坐标系间的旋转矩阵，具体为：