[发明专利]一种基于扰动观测器的欠驱动船舶路径跟踪控制方法

说明书

一种基于扰动观测器的欠驱动船舶路径跟踪控制方法，建立虚拟船运动学模型，规划目标参考路径，产生目标参考路径的位置时间序列信号，获取当前时刻跟踪目标的位置(x_d,y_d)和方位角ψ_d信息，计算实船与虚拟船的相对位置误差z_e、实船LOS航向角指令信号ψ_r、及其一阶导数和二阶导数，设计非线性扰动观测器，估计扰动，根据鲁棒自适应控制策略设计控制规律，计算主机推进控制力拒指令信号τ_u和艏摇控制力矩指令信号τ_r，实现路径跟踪控制。本发明通过非线性扰动观测器方法获取恶劣海况下未知海洋扰动的动态估计信号，有效减小驱动推进和操舵执行机构的控制力矩，可以提高恶劣海况下欠驱动船舶路径跟踪控制的鲁棒性和经济性。

技术领域

本发明涉及船舶运动控制领域，尤其涉及一种基于扰动观测器的欠驱动船舶路径跟踪控制方法。

背景技术

欠驱动船舶的路径跟踪控制近年来一直是船舶控制领域的热点，目前跟踪控制的制导方法主要是基于Line of Sight(LOS)算法的虚拟船导引方法。假设跟踪轨迹为虚拟船的航迹，通过控制推力和操舵使实船跟踪虚拟船进而实现路径跟踪。

基于线性模型的线性控制方法对于确定性条件下的跟踪控制具有很好的效果，但是受随机海洋扰动的欠驱动船舶路径跟踪控制系统，在考虑扰动不确定的同时还需要面对船舶运动模型非线性和不确定性问题。一些学者对基于模型参数不确定的欠驱动船舶跟踪控制进行相关研究，文献“K D DO,Z P Jiang,J Pan.Robust adaptive path followingof underactuated ships.Automatica,2004,42(10):929-944.”研究了欠驱动船舶路径跟踪自适应控制器的设计方法。文献“Jihong Li,Panmook Lee,Bonghuan Jun,YongkonLim.Point-to-point navigation of underactuated ships.Automatica,2008,44(12):3201-3205.”研究了基于反步法的欠驱动船舶路径跟踪控制策。文献“Zhijian Sun,Guoqing Zhang,Bowen Yi,Weidong Zhang.Practical proportional integral slidingmode control for underactuated surface ship in the fields of marinepractice.Ocean Engineering,2017,142:217-223.”研究了欠驱动船舶路径跟踪反步滑模控制器。文献“Guoqing Zhang,Xianku Zhang,Yunfeng Zheng.Adaptive neural path-following control for underactuated ships in fields of marine practice.OceanEngineering,2015,104:558-567.”研究了基于神经网络的欠驱动船舶自适应路径跟踪控制方法。这些学者均采用如下所示的非线性船舶运动模型：

其中：(x,y,ψ)为实船位置和航向角，(u,v,r)为实船纵荡、橫荡和艏摇运动状态，(m₁₁,m₂₂,m₃₃)为三个运动方向的转动惯量，(τ_u,τ_r)为主推和艏摇控制力矩，(τ_wu,τ_wv,τ_wr)为三个运动方向的海洋扰动作用力和力矩。