[发明专利]基于速度与航向双重制导的无人船精确路径跟踪控制方法

说明书

本发明公开了一种基于速度与航向双重制导的无人船精确路径跟踪控制方法，包括以下步骤：建立无人船运动学和动力学模型；构造路径跟踪误差动态；设计速度与航向双重制导律；设计有限时间干扰观测器。本发明提出的速度与航向双重制导律可以根据路径跟踪误差同时制导速度和航向角，提高了路径跟踪控制系统的稳定性和灵活性。本发明构造的有限时间扰动观测器能精确观测复杂的外界干扰，并且在有限时间内确保观测误差为零，可以避免有界观测和渐近观测的局限性。本发明设计了结合有限时间观测器设计和反步控制技术的速度和航向跟踪控制器，使得在存在复杂干扰的情况下可以精确跟踪制导信号，从而实现精确的无人船路径跟踪控制。

技术领域

本发明属于无人船控制技术，尤其涉及一种基于速度与航向双重制导的无人船精确路径跟踪控制方法。

背景技术

在海洋军事和商业蓬勃发展的驱动下，无人船凭借其高度的自主性、自动性得到了高度的关注。无人船可以在无人参与的情况下自主执行各种高风险的海事任务，路径跟踪控制技术在各种海事任务中起着基础性作用。通常无人船路径跟踪控制系统可分为制导子系统和控制子系统。在制导子系统设计中，主要是采用视线制导方法，比例视线制导最先被提出，通过横向误差与一个设定参数的反正切值计算期望舵角。积分视线制导在比例视线制导的基础上，通过一个积分项补偿侧滑角的影响。自适应视线制导，通过自适应方法估计未知的侧滑角。在控制系统的设计中，反步控制、滑模控制、模糊及神经网络控制方法，被广泛采用于无人船运动控制中，但是都无法做到对外界扰动和内部未知动态进行精确快速的估计和补偿，导致控制系统的控制精度大大降低。

在已有的制导方法中，无人船的速度通常预定义为常量。在这种情况下，无人船实际上仅由方向舵控制，从而不仅降低了总体操纵性与灵活性，而且增加了方向舵的操纵负担。在控制子系统中，快速精确的扰动估计和补偿没有实现，极大地降低了路径跟踪控制系统的精度。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种不仅能提高总体操纵性与灵活性，而且能减轻方向舵的操纵负担，并能极大地提高路径跟踪控制系统精度的基于速度与航向双重制导的无人船精确路径跟踪控制方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：基于速度与航向双重制导的无人船精确路径跟踪控制方法，利用路径跟踪控制系统进行跟踪控制，所述的路径跟踪控制系统包括制导子系统和控制子系统；所述的制导子系统是一个决策系统，结合无人船与参考路径之间的误差产生速度和航向的参考指令，以此参考指令动作，跟踪误差将渐近收敛到零；所述的控制子系统是一个执行系统，使无人船实际姿态和参考指令达到一致，通过设计基于有限时间观测器的鲁棒控制器，实现精确的扰动观测以及精确跟踪控制；

所述的路径跟踪控制方法，包括以下步骤：

A、建立无人船运动学和动力学模型

基于无人船运动学模型导出路径跟踪误差系统，进而设计制导律稳定制导子系统；基于无人船动力学模型，设计观测器及控制器稳定控制子系统，进而实现整个路径跟踪控制系统的稳定，实现精确的路径跟踪控制；

无人船运动学模型如下：

式中，x、y分别是惯性坐标系下无人船的横坐标、纵坐标，ψ是无人船在惯性坐标系下的航向，u是浮体坐标系下无人船的前向速度，v是浮体坐标系下无人船的横向速度、r是浮体坐标系下无人船的航向角速度；

无人船动力学模型如下：